首次在電信波長下實現兩個獨立量子點光子間的隱形傳態

在構建全球量子互聯網的宏偉愿景中，量子隱形傳態是不可或缺的核心技術。它允許量子信息（如一個光子的偏振態）在空間上從一處傳輸到另一處，而無需物理性地移動載有信息的物質。然而，將這一概念從實驗室演示推向實用化的長距離通信，面臨著兩大挑戰：可擴展的、高性能的量子光源和與現有光纖網絡兼容的通信波長。

最近，發表在《自然·通訊》上的研究論文“Telecom-wavelength quantum teleportation using frequency-converted photons from remote quantum dots”成功地應對了這些挑戰。該研究首次實現了在電信波長下，利用來自兩個獨立、遠程的半導體量子點生成的光子之間的量子隱形傳態，為下一代量子網絡奠定了堅實的固態物理基礎和波長兼容性。

一、 量子隱形傳態的原理與挑戰

量子隱形傳態并非科幻小說中的“瞬間移動”物質，而是對量子信息的傳輸。其核心機制基于量子糾纏。

1. 隱形傳態的基本過程

量子隱形傳態需要三個主要組分：

• 信源光子A：攜帶著待傳輸的未知量子態（例如，某個偏振態 |ψ>）。
• 糾纏光子對B和C：這兩個光子處于一個共享的、強關聯的糾纏態中（如貝爾態），其中光子B位于發送方（Alice）處，光子C位于接收方（Bob）處。
• 貝爾態測量（BSM）： 發送方 Alice 在信源光子A和糾纏光子B之間執行聯合測量。這一測量不可避免地會破壞A和B的原始量子態，但其結果會立即決定光子C的狀態。

Alice 將BSM的經典測量結果（通常是 2 比特的經典信息）發送給 Bob。Bob 根據接收到的經典信息對光子C執行相應的幺正操作（例如，一個旋轉操作）。操作完成后，光子C的狀態就被瞬時地轉換成了信源光子A的原始狀態 |ψ>。

2. 固態光源的挑戰

在實際應用中，構建分布式量子網絡的關鍵在于找到一種確定性、高亮度且可集成的量子光源。半導體量子點（Semiconductor Quantum Dots, QDs）正是滿足這些要求的理想平臺。然而，量子點面臨兩個嚴峻的挑戰：

• 異質性：即使是相同的制造工藝，不同量子點（例如，本實驗中來自兩個獨立晶片的QD?和 QD?）所發射光子的中心頻率和時間相干性也會存在微小差異。這種差異會導致光子之間無法實現高品質的量子干涉，從而使BSM失敗。
• 波長不匹配：量子點最容易發射的波長通常在近紅外區域（約 780 納米到 950 納米），這個波長在標準光纖中的損耗（衰減）很高，不適合長距離傳輸。

二、 頻率轉換：克服障礙的關鍵技術

該論文的創新性在于引入了量子頻率轉換器（Quantum Frequency Converters, QFC）來解決上述兩個挑戰。

1. 波長適配至電信波長

QFC 是一種利用非線性光學效應（如和頻或差頻）的設備。其工作原理是將輸入光子（量子點發出的光子）與一束強大的泵浦激光在非線性晶體中相互作用，從而將輸入光子的頻率（或波長）進行精確且相干的轉換。

• 研究團隊利用 QFC 將來自QD?和QD?的所有光子，從它們原生的近紅外波長（例如約780nm）上轉換或下轉換，精準地匹配到一個共同的電信波長（如1515nm）。
• 電信波長（O波段至L波段，約1300nm到1600nm）是光纖通信的“甜點”，因為它在標準光纖中的損耗極低，是實現長距離量子密鑰分發（QKD）和量子中繼器的理想選擇。

2. 實現相干性與保偏性

更重要的是，研究人員使用了保偏的QFC。這意味著在轉換波長的同時，光子的偏振態（即其所攜帶的量子信息）必須被完美地保留。這是量子隱形傳態成功的先決條件。通過精密的QFC設計，他們不僅將所有光子的波長“拉齊”到了1515nm，還修正了不同量子點之間的頻率失配，確保了光子之間的高可見度干涉，為BSM提供了必要條件。

三、 實驗架構與成果

實驗架構體現了分布式量子網絡的雛形 .

1. 遠程量子點的功能分離

1. 信源（Alice）：QD?被用作一個高品質的單光子源，生成信源光子A。
2. 糾纏源（Alice/Bob）：QD?被用作一個糾纏光子對源，生成光子 B和C。

• 光子B留在 Alice 處進行 BSM。
• 光子C作為目標光子（接收端）發送給 Bob。

這兩個量子點在物理上是獨立的，它們的距離模擬了未來量子網絡中分布式節點的結構。

2. 量子隱形傳態的實現

在將所有光子通過各自的 QFC 轉換到1515nm后，Alice 對光子A和B執行了基于偏振分束器（Polarizing Beam Splitter, PBS）的BSM。隨后，通過后選擇分析，研究人員測量了目標光子C的狀態。

3. 結果與保真度

實驗結果顯示，通過隱形傳態后的光子C狀態的保真度達到了0.721± 0.024。這個數值是衡量傳輸質量的關鍵指標：

• 經典極限：如果沒有量子效應（例如，只用經典方法隨機猜測），最高保真度為 2/3≈0.667。
• 實驗優勢：0.721的保真度顯著高于經典極限，無可爭議地證明了量子隱形傳態的成功。

結論與展望

該研究的成功，不僅是量子信息科學領域的一項技術壯舉，更是量子互聯網邁向實用化的重要里程碑。

它證明了半導體量子點作為可擴展的、高性能量子硬件的巨大潛力。通過結合量子頻率轉換這一強大的工具，研究人員成功地馴服了固態光源固有的異質性問題，并實現了電信波長的兼容性。這意味著未來，可以利用現有的全球光纖基礎設施來傳輸量子信息。

這項工作從根本上為構建基于固態器件的量子中繼器和遠距離量子網絡提供了必要的物理基礎和工程藍圖。隨著量子點性能的進一步優化和 $\mathrm{QFC}$ 技術的成熟，我們正快速接近一個全球量子互聯網的時代，在這個網絡中，量子信息可以在地球的任意兩點之間高效、可靠地傳輸。