當地時間9月19日，英國《自然》雜志子刊《自然·光子學》（NaturePhotonics）在線發表了由中國科學技術大學教授潘建偉、張強等人在量子隱形傳態實驗上取得的成果。這意味著，中國向量子通信網絡建設邁出了堅實的一步，也為未來可擴展量子網絡的構建奠定了堅實基礎。
“如果量子隱形傳態要在未來的量子網絡中得到應用，它應該具有糾纏態預先分發，獨立量子源干涉和主動前饋幺正操作這三個要素。之前沒有任何實驗同時實現這三個要素。我們是全球首次。”論文的第一作者孫啟超在接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）的采訪時說。
據中國科學技術大學官網介紹，量子隱形傳態是一種傳遞量子狀態的重要通信方式，是可擴展量子網絡和分布式量子計算的基礎。在量子隱形傳態中，遙遠兩地的通信雙方首先分享一對糾纏粒子，其中一方將待傳輸量子態的粒子（一般來說與糾纏粒子無關聯）和自己手里的糾纏粒子進行貝爾態分辨，然后將分辨的結果告知對方，對方則根據得到的信息進行相應的幺正操作。糾纏態預先分發、獨立量子源干涉和前置反饋是量子隱形傳態的三個要素。在此之前，國際上還沒有任何一個量子隱形傳態實驗同時滿足上述所有要求。
實驗團隊首先和清華大學合作開發了適合光纖網絡傳輸的時間相位糾纏光子源，然后通過發展皮秒級的遠程光同步技術和使用光纖布拉格光柵進行窄帶濾波，成功地解決了兩個獨立光子源之間的同步和干涉問題；接著開發了針對遠距離光纖所造成的延遲和偏振漲落以及實驗系統的穩定性等問題的主動反饋系統；最后利用中科院上海微系統所開發的超導納米線單光子探測器，在合肥量子城域通信網絡的30公里鏈路上實現了滿足上述三要素的量子隱形傳態實驗。
“這個實驗是在量子科學實驗衛星發射前就完成的，《自然》的審稿時間比較長，到現在才出來。但這也算是邁出量子通信的重要一步吧。”中國科技大學教授張強，也是本論文的通訊作者之一告訴澎湃新聞（www.thepaper.cn）。
實現城域量子隱形傳態
中國團隊的量子隱形傳態實驗究竟意義多大，可以從《自然·光子學》給這篇論文配的評論中看出。《自然·光子學》雜志專門邀請國際量子信息學者Frédéric Grosshans在同期的“新聞視角”（News and Views）欄目撰文，評論這項工作“顯示了在城域尺度上開展量子隱形傳態在技術上具有可行性，毋庸置疑，今后許多有趣的量子信息實驗將在此基礎上展開。”
此外，這篇論文還得到了審稿人的高度肯定，認為其“極大地推動了量子信息領域的研究（significantly advances the field）”，“提供了一個符合未來量子通信網絡應用的藍圖（blueprints for future quantum technologies）”，“由于量子隱形傳態在眾多量子通信方案中扮演的重要角色，這樣的首次實驗驗證將是量子技術發展過程中的重要里程碑（a significant milestone）。”
在量子通信方面，隨著量子科學實驗衛星的發射，中國在這一領域的科研創新已經走在了世界前列。未來，中國還將陸續發射衛星，建成全球第一個實現衛星和地面之間量子通信的國家。今年下半年，京滬量子通信干線也將建成，屆時國內將初步形成廣域量子通信體系。按照規劃，到2020年，中國將實現亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發；到2030年左右，中國將建成全球化的廣域量子通信網絡。
這次潘建偉、張強團隊在《自然·光子學》上發表的成果正是建設廣域量子通信網絡建設的基礎。“面向未來的量子信息傳輸網絡，必須要有的一個基本通信方式就是量子態隱形傳輸。我們實現了它的城域網傳輸。換句話說，城域網是實驗床，可以做很多實驗，未來會有很多新想法可以在這個網絡里進行。但未來要實現全國、全球的量子通信網絡建設還需要量子存儲器和量子衛星。”張強說。
除了證明在城域尺度上進行量子隱形傳態技術是可行的，孫啟超還告訴澎湃新聞，實驗過程中所發展的一系列技術，對其他量子信息實驗也是十分有應用價值的。
向量子通信網絡建設邁出堅實一步
據澎湃新聞了解，為了證明量子隱形傳態技術的可行性，這個擁有明星陣容的團隊前后仍花了2年左右的時間。期間還遇到了不少困難，比如獨立光遠程干涉、系統穩定性、高性能單光子探測和高性能糾纏源等問題。
“之前這些技術都不具備，隨著我們和合作伙伴的共同努力，有些是專門為了這個實驗，有些是別的實驗的促進，才使這個實驗成為可能。同時加拿大做了類似的實驗，也說明這是國際量子通信界技術的發展趨勢吧。”張強告訴澎湃新聞。
量子隱形傳態的實驗過程圖
據孫啟超介紹，在上海完成了量子隱形傳態的實驗室內測試之后，開始選擇外場試驗點。外場實驗需要已經鋪設好的光纖網絡作為通信鏈路，在科大國盾量子的幫助下，團隊將室外試驗點之一放在了合肥中科大實驗室，另外兩個是在科大國盾量子的機房（分別位于合肥軟件園的機房和合肥動漫產業園公司總部的機房）里。
“2015年4月份，我們進入外場實驗點做前期準備工作，6月底所有設備就位，開始對系統進行各方面的測試。到10月中旬，測試結束，開始正式的數據采集。11月下旬實驗完成。”孫啟超說。
從實驗結果看，顯示了很高的保真度，說明系統在現實環境下有足夠高的穩定性，可以滿足實際應用的要求。
盡管實驗成果得到了外界的肯定，但不論是張強還是孫啟超在采訪中多次向澎湃新聞（www.thepaper.cn）表示，量子通信網絡建設需要多種量子技術，量子隱形傳態只是其中一個，未來仍有許多工作需要完成。目前量子通信產業化過程中，量子密碼算是最成熟的一塊產業，未來還有許多技術需要慢慢成長。
京公網安備 11010502049343號