量子隐形传输成功：两遥远光源间光子瞬间交互

日常的互联网生活是不安全的。黑客可以侵入银行账户或窃取数字身份。在人工智能的推动下，攻击变得越来越复杂。量子密码学承诺能提供更有效的保护。它依赖量子物理的法则，使通信能够抵御窃听。然而，实现量子互联网的道路仍然面临许多技术障碍。

斯图加特大学半导体光学与功能界面研究所（IHFG）的研究人员现在在最具技术挑战性的组件之一——量子中继器方面取得了决定性的突破。他们在Nature Communications上发布了相关的研究结果。

用于信息传输的纳米半导体岛

“我们首次成功实现了来自两个不同量子点的光子之间的量子信息传输，”IHFG负责人、Quantenrepeater.Net (QR.N)研究项目的副发言人彼得·米克勒教授说。

背景是什么呢？无论是WhatsApp还是视频流，每条数字消息都是由零和一组成的。同样，这也适用于量子通信，在量子通信中，单个光粒子作为信息的载体。

零或一以两种不同的极化方向编码（即它们在水平和垂直方向上的方向，或在这两种状态的叠加中）。由于光子遵循量子力学的规律，它们的极化无法完全读取而不留下痕迹。任何试图拦截传输的行为都将不可避免地被检测到。

为光纤基础设施准备量子互联网

另一个挑战：一个经济实惠的量子互联网将使用光纤——就像今天的互联网一样。然而，光的传播范围是有限的。因此，常规光信号需要每50公里左右使用光放大器进行中继。

由于量子信息不能简单地被放大或复制并转发，这在量子互联网中行不通。然而，量子物理允许信息在光子之间转移，只要信息保持未知。这个过程被称为量子隐形传输。

作为信息传输节点的量子中继器

在此基础上，物理学家正在开发量子中继器，在量子信息被光纤吸收之前对其进行中继。它们将作为量子互联网的节点。然而，存在相当大的技术障碍。为了通过量子传送来传输信息，光子必须是不可区分的（即，它们必须具有大致相同的时间特征和颜色）。这非常困难，因为它们是从不同的来源在不同的位置产生的。

“来自不同量子点的光子从未被量子传输过，因为这非常困难，”IHFG的科学家、研究的第一作者Tim Strobel说。作为QR.N项目的一部分，他的团队开发了能够产生几乎完全相同光子的半导体光源。

“在这些半导体岛里，有一些固定的能级，就像在原子中一样，”Strobel说。这让我们可以在按下按钮的瞬间生成具有特定属性的单个光子。

“我们在德累斯顿的莱布尼茨固态与材料研究所的合作伙伴开发了只有微小差别的量子点，”Strobel说。这意味着我们可以在两个地方生成几乎相同的光子。

信息从一个光子“传递”到另一个光子

在斯图加特大学，团队成功地将一个量子点的光子的偏振状态传递到另一个量子点的光子。一个量子点生成一个单光子，另一个量子点生成一对纠缠光子。

纠缠意味着这两个粒子构成一个单一的量子实体，即使它们在物理上是分开的。其中一个粒子移动到第二个量子点，并与其光粒子发生干涉。这两个粒子发生重叠。由于这种叠加，单个光子的信号被传递到远处的配对伙伴。

量子频率转换器是实验成功的关键，它们用于补偿光子之间的频率差。这些转换器由萨尔大学量子光学专家克里斯托夫·贝彻教授领导的团队开发。

实现更远距离的改进

米克勒说：“在不同量子点之间传输量子信息是缩短更大距离的关键一步。”

在斯图加特的实验中，量子点之间仅通过约10米长的光纤分隔。“但我们正在努力实现更远的距离，”斯特罗贝尔说。

在早期的研究中，团队已经证明量子点光子的纠缠在经过斯图加特市中心36公里的传输后依然保持不变。另一个目标是提高目前略高于70%的传输成功率。量子点的波动仍然会导致光子之间出现细微差异。

“我们希望通过改进半导体制造技术来降低这种差异，”斯特罗贝尔说。

“实现这个实验一直是我们的长期愿望——这些结果体现了多年的科学努力和进步，”IHFG的组长、研究协调员之一西蒙娜·卢卡·波塔鲁皮博士说。“看到专注于基础研究的实验开始迈向实际应用，真是令人兴奋。”

更多信息： Tim Strobel 等，使用来自远程量子点的频率转换光子的电信波长量子传输，自然通讯期刊（2025）。 DOI: 10.1038/s41467-025-65912-8