实验装置。 a 在Alice产生纠缠的光子对。信号光子被输送到一个掺Pr的晶体中，而空闲光子则通过一根5米或1公里长的光纤被送往鲍勃处。在鲍勃处，产生1436纳米的任意量子，并与空闲光子进行干扰，以便进行BSM。检测结果被传回给爱丽丝，在那里进行处理，以便能够正确地应用前馈。b Pr3+:Y2SiO5晶体的相关水平方案。 c 布洛赫球，其中标注了我们实验的所有相关量子比特状态。资料来源：《自然通讯》（2023）。DOI: 10.1038/s41467-023-37518-5

量子传送是一种技术，允许在两个遥远的量子物体，即发送方和接收方之间传输量子信息，使用一种叫做量子纠缠的现象作为资源。

这一过程的独特之处在于，实际的信息不是通过发送量子比特（qubits）来传输的，而是通过连接双方的通信渠道来传输的；相反，信息在一个地方被摧毁，在另一个地方出现，而不需要在两者之间进行物理旅行。这一令人惊讶的特性是由量子纠缠实现的，同时伴随着经典比特的传输。

如今，在量子通信和量子网络领域，人们对量子传送有着浓厚的兴趣，因为它可以利用先前共享的纠缠，在网络节点之间进行长距离的量子比特传输。

这将有助于将量子技术整合到当前的电信网络中，并将这些系统实现的超安全通信扩展到非常远的距离。此外，量子传送允许在不同种类的量子系统之间传输量子信息，例如，在光和物质之间或不同种类的量子节点之间。

量子传送在90年代初就被从理论上提出，世界各地的一些团体也进行了实验演示。虽然科学界已经在如何进行这些实验方面获得了广泛的经验，但在如何以实用的方式传送信息，允许在一个扩展的网络上进行可靠和快速的量子通信方面仍然存在一个开放的问题。

似乎很清楚，这样的基础设施应该与目前的电信网络兼容。此外，量子传送的协议要求在被传送的量子比特上应用最后的操作，以传送测量的结果为条件（由经典比特传送），以便忠实地和以更高的速率传送信息，这种功能称为主动前馈。

这意味着接收器需要一个被称为量子存储器的设备，它可以在不降低量子比特的情况下存储它，直到最后的操作可以实现。最后，这种量子存储器应该能够以多路复用的方式运行，以便在发送方和接收方距离较远的情况下最大限度地提高信息传送的速度。到目前为止，还没有任何实施方案将这三项要求纳入同一演示中。

在最近发表在《自然通讯》上的一项研究中，ICFO的研究人员Dario Lago-Rivera、Jelena V. Rakonjac、Samuele Grandi在ICREA教授Hugues de Riedmatten的带领下，报告了实现了从光子到固态量子比特（存储在复用量子存储器中的光子）的长距离量子信息传输。

该技术涉及到使用主动前馈方案，该方案与存储器的多模态一起，使远程传输率达到最大化。所提出的架构与电信信道兼容，从而使未来长距离量子通信的整合和扩展成为可能。

如何实现量子传送
该团队建立了两个实验装置，在社区的行话中通常被称为Alice和Bob。这两个装置由一根1公里长的光纤连接起来，以模拟双方之间的物理距离。

实验中涉及三个光子。在第一个装置中，即爱丽丝，研究小组使用一种特殊的晶体来创造两个纠缠的光子：第一个光子在606纳米，称为信号光子，第二个光子称为空闲光子，与电信基础设施兼容。

一旦创造出来，"我们将第一个606纳米的光子保留在爱丽丝，并将其储存在一个多路复用的固态量子存储器中，将其保存在存储器中以便将来处理。同时，我们把在爱丽丝创建的电信光子，通过1公里长的光纤送至第二个实验装置，称为鲍勃，"达里奥-拉戈回忆说。

在这第二个实验装置（Bob）中，科学家们有另一个晶体，在那里他们创造了第三个光子，在那里他们对他们想要传送的量子位进行了编码。一旦第三个光子被创造出来，第二个光子已经从爱丽丝那里到达了鲍勃，这就是远距传输实验的核心所在。

传送信息超过1公里
第二个和第三个光子通过所谓的贝尔状态测量（BSM）相互干扰。这种测量的效果是混合第二和第三光子的状态。由于第一和第二光子一开始就是纠缠在一起的，即它们的联合状态是高度相关的，BSM的结果是将第三光子编码的信息转移到第一光子，由爱丽丝储存在1公里外的量子存储器中。

正如Dario Lago和Jelena Rakonjac所提到的，"我们能够在两个之前从未接触过的光子之间传输信息，但通过第三个光子连接起来，这个光子确实与第一个光子纠缠在一起。这个实验的独特性在于，我们采用了一个复用的量子存储器，能够将第一个光子存储足够长的时间，以至于当爱丽丝发现互动发生的时候，我们仍然能够按照协议要求处理传送的信息。"

达里奥和杰莱纳提到的这种处理是前面提到的主动前馈技术。根据BSM的结果，在存储器中存储后，对第一个光子进行了相位转换。这样一来，相同的状态将始终被编码在第一个光子中。如果不这样做，一半的远距传输事件将不得不被丢弃。

此外，量子存储器的多模态使他们能够在不降低被传送的量子比特的质量的情况下，将传送率提高到超过它们之间1公里的距离所带来的限制。总的来说，这导致了比单模量子存储器高三倍的远程传输率，只受限于经典硬件的速度。

可扩展性和集成性
该小组在2021年进行的实验中，首次实现了两个相隔10米的多模量子存储器的纠缠，并由一个电信波长的光子预示，该实验是本实验的先导。

正如Hugues de Riedmatten所强调的，"量子远程传输对于实现未来量子互联网的高质量长距离通信至关重要。我们的目标是在更多、更复杂的网络中实现量子传送，之前的分布式纠缠。我们的量子节点的固态和复用性质以及与电信网络的兼容性使其成为在已安装的光纤网络中长距离部署该技术的有希望的方法"。

进一步的改进已经在计划之中。一方面，该团队专注于开发和改进该技术，以便在保持效率和速率的同时，将设置扩展到更远的距离。另一方面，他们还旨在研究并将这种技术用于不同类型的量子节点之间的信息传输，以实现未来的量子互联网，使其能够在远程各方之间分发和处理量子信息。
 

参考资料
Dario Lago-Rivera et al, Long distance multiplexed quantum teleportation from a telecom photon to a solid-state qubit, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37518-5