量子通訊新突破：多量子位元網路技術大躍進

加州理工學院（Caltech）的工程師們在量子通訊領域取得了重大突破，成功將兩個量子節點以多量子位元（qubits）的形式連結起來。透過一種創新的多工技術，他們大幅提升了資料傳輸速率，為大規模量子網路的實現奠定了基礎。

這項研究的核心在於開發了一種名為「糾纏多工」（entanglement multiplexing）的新方法，使得多個通道能夠同時傳輸資料。研究團隊將鐿原子嵌入晶體中，並將其與光學腔（optical cavities）耦合，這些微小結構能夠捕捉並引導光線。這種獨特的設計讓多個量子位元能夠並行傳送攜帶量子資訊的光子。

加州理工學院的應用物理與電機工程教授安德烈·法拉昂（Andrei Faraon）表示，這是首次在個別自旋量子位元的量子網路中展示糾纏多工技術。這項方法顯著提升了節點之間的量子通訊速率，堪稱該領域的一大躍進。

這項研究成果已於2025年2月26日發表在《自然》（Nature）期刊上。論文的主要作者包括哈佛大學的博士後研究員安德烈·魯斯庫（Andrei Ruskuc）以及加州理工學院的研究生吳俊儒（Chun-Ju Wu），他們在法拉昂的實驗室完成了這項工作。

量子網路的未來將如同現今的網際網路，將位於不同物理位置的量子電腦連線起來。在量子領域中，研究人員處理的是原子和光子（光的基本粒子）的微小尺度。在這個尺度下，物質的行為不再遵循古典物理學，而是由量子力學主導。

量子力學中最重要且奇特的現象之一就是「糾纏」（entanglement），即兩個或多個物體（如原子或光子）無論相隔多遠，都能保持不可分割的連結。這種連結是如此根本，以至於一個粒子的狀態無法完全獨立於另一個粒子來描述。因此，測量一個粒子的量子狀態也能提供另一個粒子的資訊，這正是量子通訊的關鍵。

在量子通訊中，目標是使用糾纏的原子作為量子位元來共享或傳輸量子資訊。然而，目前限制通訊速率的主要挑戰在於準備量子位元和傳輸光子所需的時間。糾纏多工技術透過在每個處理器或節點上使用多個量子位元來克服這一瓶頸。魯斯庫解釋道，透過同時準備量子位元和傳輸光子，糾纏速率可以與量子位元的數量成正比提升。

在這套新系統中，兩個節點是由釔正釩酸鹽（YVO4）晶體製成的奈米結構。研究人員使用雷射激發晶體中的鐿原子（Yb3+），使每個原子發射出一個與其保持糾纏的光子。來自兩個節點的光子隨後會到達一個中央位置進行檢測，這一檢測過程觸發了量子處理協議，從而產生成對鐿原子之間的糾纏狀態。

每個節點的YVO4晶體中都含有許多鐿原子，因此有大量可用的量子位元。然而，由於晶體中的缺陷，這些原子的光學頻率略有不同。魯斯庫表示，這就像一把雙刃劍：一方面，不同的頻率讓研究人員能夠精確調校雷射以瞄準特定原子；另一方面，科學家們曾認為光子頻率的差異會使得生成糾纏的量子位元狀態變得不可能。

「這就是我們協議的創新之處，」魯斯庫說，「即使原子的光學躍遷不同，我們仍能生成糾纏狀態。」在新協議中，一旦光子被檢測到，原子就會即時進行一種量身定製的量子處理，研究人員稱之為「量子前饋控制」（quantum feed-forward control）。

魯斯庫進一步解釋：「基本上，我們的協議會根據光子到達時間的資訊，應用一個量子電路：一系列針對兩個量子位元的邏輯閘。在應用這個電路後，我們就能得到一個糾纏狀態。」

研究團隊的YVO4平臺能夠容納大量量子位元——在這項工作中，每個節點約有20個。但共同作者吳俊儒表示，這個數字可能還能再增加至少一個數量級。法拉昂指出：「稀土離子的獨特特性，加上我們展示的協議，為每個節點擁有數百個量子位元的網路鋪平了道路。我們相信這項工作為基於稀土離子的高效能量子通訊系統奠定了堅實的基礎。」

這項研究得到了美國空軍科學研究辦公室（Air Force Office of Scientific Research）和加州理工學院量子資訊與物質研究所（IQIM）的主要支援，後者是由國家科學基金會（NSF）資助的物理前沿中心，並獲得戈登與貝蒂·摩爾基金會（Gordon and Betty Moore Foundation）的贊助。此外，研究還獲得了NSF的額外資助。