量子光子穿越芝加哥繁忙互联网：24.4公里电信实网光纤保持纠缠态

据介绍，这项研究由西北大学麦考密克工程学院电气与计算机工程系教授 Prem Kumar 领衔，其团队成员、研究生 Gina Talcott 为论文第一作者。相关论文已发表于期刊 Optica Quantum，是首个在携带现代商业通信业务的真实城域光纤上实现远程节点量子纠缠分发的实地演示。

在现有互联网中，信息以经典比特形式，通过大量光子组成的光脉冲在光纤中传递，而量子网络则依赖单光子承载的量子态与量子比特，实现信息的处理与交换。其中，量子纠缠是一项重要资源——两粒子即便相距甚远，其量子态仍保持“不可分割”的关联，可用于实现所谓的量子“隐形传态”，在不搬运原始粒子的前提下远距离转移量子信息。

然而，量子通信极易受到干扰影响，哪怕是非常微弱的光学噪声，也足以淹没承载量子信息的单光子信号。Kumar 形象地指出，相比由数百万光子构成的传统通信信号，量子信号“非常、非常微弱”，就像“一只蚂蚁要在布满大象的道路上穿行”，而此次实验结果证明，在如此拥挤的环境中，量子光子仍然可以完成旅程并保持纠缠态。

早在 2024 年，Kumar 团队就通过精细分析光在光纤内部的散射行为，找到一个相对“安静”的波段，为量子光子避开常规互联网业务产生的大部分噪声提供了机会。他们在实验室中配合特殊滤波器抑制额外干扰，将该技术用于在一根承载高速互联网数据的 30 公里光缆上实现量子隐形传态，展示了理论上的可行性。

此次最新实验则将这一构想推向真实网络环境。研究团队在西北大学埃文斯顿校区实验室中制备一对对纠缠光子，将其中一粒留在本地，另一粒则注入已经铺设好的城域光纤，沿线穿过芝加哥地区，最终抵达位于芝加哥市中心的 StarLight 国际/国家通信交换设施。在整个传输过程中，该光纤同时承载两路数据通道，每路速率达 800Gb/s，并叠加了相当于商用满负荷运行的光功率。

研究人员指出，这根光纤上的光功率足以支持约 36Tb/s 的经典数据传输能力，约等于在一根光纤中同时串流 2000 万段 YouTube 视频。为保护弱小的量子信号不被传统业务“淹没”，团队将两者分配在光谱中的不同区域：纠缠光子被安置在相对安静的 O 波段，而商用通信则运行在电信系统常用的 C 波段。

除了噪声与功率的挑战，距离带来的时间同步问题也是实验难点之一。要判断抵达芝加哥的光子究竟与哪一粒留在埃文斯顿的光子构成纠缠对，两地设备必须保持极高精度的时间同步。团队借助一种名为“White Rabbit”的光学定时系统，将两端的时间对准到皮秒量级，即万亿分之一秒，从而可以在强烈数据流的包围中实时识别正确的光子配对。

最终测量显示，在 24.4 公里的传输后，纠缠保真度仍然超过 94%，这一水平明确表明量子纠缠连接经受住了长距离与高负载环境的考验，且远超经典通信系统能够复制的上限。研究团队认为，这一结果跨过了量子网络工程上的重要门槛：证明了在真实电信网络中分发纠缠的可行性，为后续在商用网络上实现量子隐形传态奠定基础。

目前，该团队的下一步目标是在承载商业业务的真实电信网络上演示远程节点之间的量子隐形传态。Kumar 此前已在实验室环境中完成隐形传态，但要在城市光纤和实际通信流量条件下重复这一过程，技术难度将显著增加。他表示，量子隐形传态可以分为两个层级：首先是分发纠缠，其次是利用纠缠来传输量子信息，每一层都比上一层更为复杂，但当前的结果显示“这条路是可行的”。