幾十年來，研究人員一直試圖將量子訊號與經典訊號一起擠入光纖電纜。然而，量子位元基於單個粒子的微妙量子態，這些量子態可能會被熱噪聲和其他因素破壞。

上個月，美國西北大學的工程師們將一對糾纏光子透過一根同時傳輸著每秒400吉位元經典訊號的光纖傳送了30多千米。這些糾纏態隨後實現了一種被稱為量子隱形傳態的量子資料傳輸過程。量子隱形傳態包括將一個粒子的量子態傳輸到遠處的另一個粒子上，從而有效地使量子資訊（也就是量子位元）能夠在空間中“隱形傳輸”。

儘管“隱形傳態”這個詞帶有科幻意味，但它也沒有任何神秘或超凡脫俗之處。除了非常精細地在極其脆弱的中性原子量子計算機或超導電路周圍進行分流之外，隱形傳態是量子資訊在空間中進行物理移動的主要方式之一。

“量子計算有很多新的需求，”論文的共同作者、位於伊利諾伊州埃文斯頓的西北大學的電氣與計算機工程教授Prem Kumar說，“但設計者們意識到，這種規模的擴大將受到內部通訊的限制。”

換句話說，隨著量子計算機中量子位元數量的增加，所有量子位元之間的通訊（這些量子位元不一定都包含在同一臺物理計算機內，甚至不一定在同一建築物或地點內）變得越來越關鍵。因此，在尋求擴大量子計算規模的過程中，透過現有的長距離光纖線路傳輸量子位元變得非常重要。

所以，當如今一些研究團隊致力於製造更大、更快、更好的量子計算機時，像Kumar團隊這樣的其他團隊正在努力擴大能夠將量子位元從一個地方傳輸到另一個地方的光纖通道的範圍——這反過來可以擴大能夠進行的量子計算的種類和複雜程度，以及重新利用現有基礎設施來進行量子計算的能力。

這一切都遠非易事。更直接明瞭的是量子位元從一個地方到另一個地方的傳輸方式。處於運動中的量子位元通常是光子，而光子能很好地在玻璃纖維中移動。現有的光纖線路——無論是閒置的，還是已經有常規數字資料流量在其中傳輸的在用線路——將是把量子資訊從A點發送到B點的最簡捷的途徑。

此外，西北大學博士生、該研究的共同作者Jordan Thomas表示，讓量子位元與常規位元在相同的光纖線路中傳輸，在實際應用中也會產生天壤之別。他說：“共存使得大規模量子網路成為一個更可想象的現實。”

1997年，英國電信的一位科學家發現了在常規光纖線路中量子資料與經典位元一同傳輸時的一個關鍵複雜問題（https://digital-library.theiet.org/doi/abs/10.1049/el%3A19970147）。常規資料流量產生的光子噪聲滲透到了微妙的量子訊號中——就像在熱鬧的晚宴的嘈雜背景聲中試圖分辨幾句低語一樣。事實上，在21世紀的前20年裡，人們進行了許多嘗試，試圖在每秒千兆位元的雷射脈衝透過同一光纖所產生的光子嘈雜聲中平衡微弱量子訊號的傳輸。

Kumar的團隊在他們近期發表於《光學》雜誌的論文中報告稱，近年來的研究報告已經探索了更多、更好的透過閒置或未使用光纖實現量子位元隱形傳態的方式（https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-11-12-1700&id=565936）。他們自己的團隊在2023年表明，他們能夠透過常規光纖在傳輸非常高功率經典訊號的同時將糾纏粒子傳送48千米，這為上個月更復雜的隱形傳態演示奠定了基礎（https://www.nature.com/articles/s41377-023-01158-7，https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-31-26-43035&id=544123）。

Kumar的團隊著手透過同時傳輸每秒多千兆位元常規數字通訊的常規光纖線路進行量子隱形傳態。Thomas說：“現在是開始研究隱形傳態及其延伸技術的重要時刻，這樣這項技術就能大規模應用，而不侷限於閒置光纖。”

現在使之成為可能的一個步驟是光電探測器靈敏度的提高。Kumar說：“在過去15年裡，探測技術發生了一場變革。”他們的團隊開始使用在近紅外O波段（代表波長範圍為1260到1360奈米的光子）效率接近90%的感測器。相比之下，在2006年庫馬爾的團隊開始涉足該領域的研究時，效率僅為20%（https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/1694003）。

印度新德里電信發展中心的電信工程師Arka Mukherjee表示，由於在任何距離上傳送可靠訊號都存在困難，量子隱形傳態與經典通訊相結合的研究仍然相對不足。他補充說，對於現實世界的應用，網路工程師可能希望在每條光纖電纜中包含不止一個經典訊號通道。他指出，相比之下，如今的電纜能夠承載數十個通道，在骨幹光纖網路中每個通道可承載100 – 200吉位元每秒（Gbps）的流量。所以，他說，降低每條光纖線路的噪聲因素將變得更加重要。

一個將量子位元從A點傳輸到B點的現實世界光纖網路也將面臨其他種類的挑戰。例如，量子通訊需要精確的同步水平以實現定時精度和糾纏驗證（https://spectrum.ieee.org/%5C%22https://tsapps.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=935535%5C%22）。為解決這個問題，工程師們正在開發時間協議和其他同步方法，以實現經典訊號和量子訊號在同一條線路中的和平共處。

Thomas說：“我們的研究小組也在這個課題上做了一些工作。所以我們對這些同步系統以及它們在同一光纖中共存有一些經驗，我們將在接下來的實驗迭代中運用這些經驗。”

美國馬里蘭州蓋瑟斯堡國家標準與技術研究所的物理學家Anouar Rahmouni說，Kumar的演示“有潛力透過使用經典訊號作為探測訊號來補償量子網路節點之間的時間和偏振漂移，從而有助於應對這些挑戰”。Rahmouni說，Kumar團隊的工作是朝著量子網路邁出的“關鍵一步”。