量子網路重大突破：糾纏光子連續傳輸超過30小時

科學家們在量子網路領域取得了一項重大突破，成功在商用網路上實現了糾纏量子訊號的100%不間斷傳輸。這項新技術克服了訊號幹擾問題，確保網路執行順暢且安全。

由美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）、查塔努加電力局（EPB）以及田納西大學查塔努加分校的研究團隊，首次在商用光纖網路上成功傳輸了糾纏量子訊號。這項成就標誌著多波長通道與自動極化穩定技術的首次結合應用，且全程無需網路中斷。

這項突破讓我們距離開發功能性量子網際網路更近一步，未來量子網路將提供比現有網路更高的安全性和效率。為了維持訊號穩定性，研究團隊採用了自動極化補償（APC）技術，該技術能即時修正光波電場振盪方向的變化。系統利用雷射產生的參考訊號以及超靈敏的外差檢測方法，實時監控並調整極化狀態。

透過APC技術，團隊有效減少了環境因素（如風和溫度變化）對光纖中量子訊號的幹擾。ORNL量子研究科學家、該研究的主要負責人約瑟夫·查普曼表示：「我們一直以來的目標是開發無縫運作的量子通訊系統。這是該方法的首次展示，能夠在保持量子訊號的同時實現快速穩定，且全程無需中斷——這意味著傳輸兩端的使用者不會察覺任何訊號中斷，也無需協調預定停機時間。」

該技術使得訊號在田納西大學查塔努加分校節點與另外兩個EPB量子網路節點之間連續傳輸超過30小時，每個節點相距約半英里。其中一個節點配備了由ORNL量子研究科學家穆尼爾·阿爾肖坎開發的糾纏光子源。

量子計算依賴於量子位元（qubit）來儲存資訊。與傳統計算中的二進位位元不同，量子位元可以透過量子疊加同時存在於多種狀態，這使得單一物體能夠編碼多種物理值的組合。ORNL的研究使用光子作為量子位元，並透過量子糾纏分發傳輸極化糾纏的量子位元。糾纏的量子位元相互關聯，無法單獨描述，這種糾纏特性使得資訊能夠透過量子傳輸從一個地方傳送到另一個地方，而無需實際穿越空間。糾纏分發與量子傳輸構成了高階量子網路的基礎。

光子可以透過極化以及其他光學特性編碼為量子位元，並透過現有的光纖電纜系統傳輸。然而，風、濕度、溫度變化以及電纜的其他應力可能會干擾光子的極化，進而影響訊號。查普曼和ORNL團隊希望找到一種方法來穩定極化並減少幹擾，同時保持網路的最大頻寬。

查普曼指出：「大多數先前的解決方案並不一定適用於所有型別的極化，且需要定期重置網路等妥協措施。使用網路的人需要它持續執行。我們的方法能夠控制任何型別的極化，且無需定期關閉網路。」

查普曼和阿爾肖坎透過糾纏輔助量子過程層析成像生成測試訊號，並測試了補償方法。該技術能夠估算量子通道（如配備APC的地下光纖）的特性，以測量變化。當啟用APC時，傳輸保持相對穩定，且附加噪音極小。

查普曼表示：「一位經驗豐富的音樂家可以聽出兩件樂器是否走調。在我們的APC中，我們使用雷射對參考訊號進行類似操作。」

查普曼已為該方法申請了專利。下一步包括調整方法以增加頻寬和補償範圍，從而在更廣泛的條件下實現高效能運作。

EPB執行長大衛·韋德表示：「與ORNL等機構合作，為我們如何持續提升EPB量子網路作為研究人員、新創公司和學術客戶的資源提供了寶貴的回饋。自推出商用量子網路以來，我們已開始努力讓社羣受益於量子未來的進步，並將查塔努加打造成開發者和投資的目的地。」

田納西大學查塔努加分校的官員承諾將繼續支援這項研究。該校研究副校長萊因霍爾德·曼恩表示：「我們很高興能成為這項成功團隊合作的一部分。這種合作推動了量子資訊科學與技術的發展，並為我們的學生提供了獨特的體驗式學習機會。」

參考文獻：Kazi Reaz, Joseph C. Chapman, Tian Li, Muneer Alshowkan and Mariam Kiran, Continuous automatic polarization channel stabilization from heterodyne detection of coexisting dim reference signals, Optics Express, 15 December 2024. DOI: 10.1364/OE.543704

這項研究得到了ORNL實驗室定向研究與發展計畫、美國能源部科學辦公室高階科學計算研究計畫以及田納西大學查塔努加分校量子計畫的支援。