中加科学家在量子通讯上的最新研究：迈向城市范围的量子隐形传态

量子隐形传态是许多量子信息协议的核心。目前，有两支团队分别在数公里长的城市光纤网络上完成了隐形传态实验，为未来量子技术的城市规模应用铺平道路。

图1|隐形传态设置简图。a.原始理论构想。b. 合肥实验。c.卡尔加里实验。BMx/4是贝尔测量仪器识别出的4个贝尔态中的数量(x)。“一个半贝尔态”表示一个始终能探测到，另一个只能在一半的时间中探测到。分数x/4也代表测量的成功率。EPR指纠缠态来源；U指酉矩阵，取决于BM结果。灰色箭头指贝尔测量向Bob的经典通信。弯箭头代表光子，在所述两项实验中均沿光纤传输。| ψ?代表光子的量子态。

1993年，科学家首次发现了量子隐形传态——将量子态从一个位置远距离传输至另一个位置，人们认为量子隐形传态完美演绎了可传输但不可复制的量子信息性质。继20世纪90年代的首次实验展示后，量子隐形传态很快成为了实验物理学家研究量子信息物理系统可行性的重要研究基准。

对于理论物理学家来说，量子隐形传态目前是许多证明中的重要工具，但更重要的是，它还是许多协议的关键组成部分，从量子中继器到基于测量的量子计算皆涵盖在内。因此，量子隐形传态系统的性能和可行性将会塑造量子技术的未来，并在未来的量子网络中发挥重要作用。最近，《自然-光子学》发表了两个研究小组分别在中国合肥市和加拿大卡尔加里市数公里的光纤网络上独立开展的量子隐形传态实验结果。这两个实验均分为三个节点（习惯性称为Alice、Bob和Charlie），以模仿未来量子网络的结构（参见图1）。

加拿大卡尔加里市鸟瞰图。Imagery ?2016 Google. Map data ?2016 Google.

在此之前，唯一采用这种三点设置的实验是Hensen及同事在代尔夫特对无漏洞贝尔不等式的历史性验证，当时，Charlie距Alice和Bob的距离均不到1公里。该实验展示了这种设置在基础物理学实验中的作用潜力，但由于使用了钻石内氮原子空缺中心来产生量子态而不得不使用可见光，从而限制了操作距离。与之相比，在合肥和卡尔加里开展的城域实验所采用的波长为1.5 μm，表明实用的量子网络可在中期内实现，拥有量子加密和量子计算领域的潜在应用。

量子隐形传态有时被称为“量子传真”，但是这种描述容易掩盖它在量子信息中的普遍性。这里要向在21世纪成长起来的读者说明，传真机是在电子邮件问世之前用于在不同地点之间快速传送文档的工具。将其取而代之的现代方法恰好展示了传真的工作原理：若要向Bob发送文档，Alice需要先扫描文档，然后将文档通过电子邮件发送给Bob，Bob再将其打印出来。一般而言，除了特别吹毛求疵的行政人员，这样的打印件都可当作原件使用。

1993年前，制造一台完美的传真机——在量子级别重现原件最细微的细节——在物理学上似乎是不可能的，因为海森堡测不准原理不支持精准测量量子力学对象。Bennett等人在一篇著名的论文中描述了一种可以规避这种所谓不可能的方法：让Alice和Bob共享纠缠对象，这种对象的量子关联非常强烈，以致只能描述它们的联合状态，而不对单个物理对象的状态加以定义。

为了规避海森堡测不准原理的限制，Alice不应测量待传输的原始态，而应对原始态和纠缠对中的另一个元素共同执行所谓的贝尔测量，通过这种测量来得出两种状态之间的差异。当Bob知道测量结果后，他可以校正纠缠对中他自己的那一部分元素，并再造原始态。这个过程被称为隐形传态（teleportation），因为在Bob得以忠实地再造原始态前，原始态必须被贝尔测量破坏。这与科幻作品中与之同名的瞬间传输（英文名都是teleportation）十分相似。

原始态的量子信息可以在纠缠对和测量结果之间分割。这种分割允许进一步的操控和大量变化，这说明了隐形传态在量子信息应用中的普遍性：例如量子通信应用，原始态可映射至不同的媒介，如波长不同的物质或光子。此外，这一方法还能传输除量子态之外的资源，比如纠缠或量子操作。隐形传态过程最后一步的纠错操作可被简化为一个平凡的后验选择，这一选择或是概率选择，或是通过基于端口隐形传态的近确定性选择。目前，人们已经掌握了隐形传态的许多变体，未来仍将会有更多的发现。

贝尔测量是隐形传态实验的关键部分，通常也是最难构建的。实验的主要困难在于，需要来自相隔数公里的光源的两个光子在空间和光谱层面都无法区分，而且实验期间必须在变化的环境下一直保持这种状态。任何满足该目标的反馈回路都必须能够处理细微至极的信号，即单光子级别的信号。最近，可在电信波长运行的单光子探测器性能显著提升，尤其是超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的发展，让两支小组均有受益。卡尔加里团队使用了Hong–Ou–Mandel干扰来作为反馈回路的数据输入，以确保光子不可分辨，这体现了这项任务的难度：Hong–Ou–Mandel干扰是一项困难的双光子干扰实验，直到最近仍被视为对量子光学的基础性演示。

即使有了完美的探测器和完全无法区分的光子，对单光子而言，受理论学家青睐的理想的确定性四态贝尔测量目前在技术上仍是不可能的（参见图1a）；但是，运用线性光学的干涉测量最多能探测到4个贝尔态中的2个，使成功率最高可达50%。合肥团队也构建了类似的系统，可以探测四个贝尔态中的“一个半”（在2个贝尔态中，有1个在一半情况下无法探测到，参见图1b）。随后，Bob的光子在延迟线（15公里长的光纤绕轴）中缓冲，以获得应用与测量结果对应的纠正性酉矩阵的时间，在失败的情况下则将其丢弃。卡尔加里团队选用了更简单的测量，仅探测无纠错的贝尔态（参见图1c）。这种做法的成功率仅为25%，但将纠正简化为了甚至可以后验进行的平凡事后选择。

通常被称为Charlie的量子网络运营商希望将贵重的组件保留在网络核心，并向用户（一般被称为Alice和Bob）提供服务。Alice和Bob运营的则是更简单、因而也更便宜的终端。考虑到贝尔测量仪器的复杂性，尤其是运行SNSPD所需的低温条件，贝尔测量仪器自然由Charlie运营。

在合肥的光纤网络的量子隐形传态 Map data: Google. CNES/Astrium. DigitalGlobe.

有趣的是，两支团队在城市光纤网络上的首次隐形传态实验的局限并不一样，这表明这一领域将在不久的将来取得长足进展。在合肥实验（参见图1b）中，真实的单光子在电信波长范围内传输量子比特，实验采用主动前馈机制，取得的结果近似理想的理论隐形传态。但是，这一效果以低传输速率为代价——每小时2个光子，若不能进一步提升，将明显限制其实际应用。

相比之下，在卡尔加里实验（参见图1c）中，Alice的状态没有被编码到真实的单光子上，而是编码在了衰减的相干态上。这种简化处理要求使用所谓的伪态协议（这种协议是为量子密码学所创的），以确保观察到的过程确实为隐形传态，且使用真实的单光子也能达到同样的结果。加拿大团队没有像中国团队一样采用1.5 μm电信波长，而是将状态传输至795 nm光子，这样Bob一方可以使用更加有效的光子探测器（硅雪崩光电二极管）。隐形传态速率因而上升至每分钟17个光子，比合肥实验的速率高出两个数量级，但实验的后验性质也限制了直接的实际应用。

综合而言，这两项实验清楚地表明城域隐形传态在技术上是可行的；毫无疑问，未来将有大量精彩的量子信息实验建立在这些实验的基础上。从更长远的角度来看，两篇论文表明城域量子网络是一个符合实际的方案，这样的发展前景十分激动人心。?

Nature Photonics | doi:10.1038/nphoton.2016.190

（编辑：晋中站长网）

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