近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家在构建大规模量子通信网络方面向前迈出了关键一步。该系统利用量子理论特有的现象（例如叠加和纠缠）来传输和处理量子比特信息（qubits）。
为了存储和传输数据，科学家和工程师通常使用光子流——在光纤中传播的光粒子。传统的非量子通信网络使用比特（bits）对光子携带的信息进行编码，而比特只能取1或0的值。量子网络有望通过允许多台量子计算机使用它们的“母语”——量子比特（qubits）——而不是比特进行通信，从而解锁新的应用。这些量子比特通常以光子态的形式出现，它们之间的关联如此紧密，甚至纠缠在一起，以至于测量其中一个伙伴的属性会自动确定另一个伙伴的属性，即使它们之间相隔很远。
尽管可以用波来描述的光子可以携带量子比特，但其纠缠状态本质上是脆弱的。为了保持纠缠，通过光纤传播的光子态不仅必须保持无背景噪声，还要在其到达目的地时保持一个明确定义且稳定的相位——光波中波峰的位置必须相对于标准光源的波峰保持固定。对于某些纠缠状态，仅仅将光波的传播路径偏移700纳米（大约是红光的波长）就会破坏纠缠态。
经典测量系统可以稳定光的相位，但它们依赖于明亮的光信号（每秒数万亿个光子）和成熟的经典光电探测器。然而，这些技术不适用于量子通信系统，因为量子通信系统需要极其微弱的信号，而这些信号很容易被强光干扰。一个简单的想法是降低激光的强度，但这可能会降低相位测量的准确性。这带来了一个新的挑战：激光的强度降低到多微弱才能实现既不产生干扰又不牺牲测量精度？
NIST的研究人员现在通过一种创新方法找到了答案，该方法依赖于高度稳定的激光源和通过量子网络传播的微弱光之间的相互作用。由于稳定的激光源具有固定的相位，因此可以作为参考，利用干涉原理测量网络中光的相位。
如果干扰是破坏性的（参考激光的波峰和波谷恰好抵消了通过网络传输的激光的波峰和波谷），那么参考激光器会就会测量并帮助维持未来量子有效载荷的光学相位。如果干涉不是完全破坏性的，那么检测到的光子数量就会揭示了参考激光与在光纤中传播的光之间的相位差。然后可以通过调整该相位差以产生破坏性干扰，从而将网络中光子态的相位锁定到激光光波的相位上。通过这种该方法既能完成测量又保留了通过光纤传输的光子的相位。由于测量是用微弱的激光进行的，因此该技术不会干扰量子网络中光子之间微妙的纠缠。
NIST研究团队在连接NIST和马里兰大学帕克分校的光纤中展示了他们的技术，该光纤跨度超过120公里（约75英里）。通过使用位移光子计数法，他们不仅测量了穿过这条长距离链路的激光的相位波动，而且还稳定了其传播状态。被稳定的光其相位波动的幅度非常小，相当于将地球和月球之间距离的测量精度控制到几百微米以内——大约是人类一根头发丝的直径大小。
即使每秒到达光纤终点的光子数少于一百万个，这种方法仍然有效。“这比标准技术要求的光的强度几乎低了一万倍，”NIST物理学家Jabir Marakkarakath Vadakkepurayil解释道。“这相当于从手机屏幕的单个像素区域进入您眼睛的光子数量。”
“在长距离微弱光通信（包括量子网络）中，实现稳定相位控制而不被强激光光污染量子态是一个重大难题，”美国国家标准与技术研究院（NIST）的物理学家谢尔盖·波利亚科夫（Sergey Polyakov）说道。“每秒使用不到一百万个光子来控制相位是前所未有的，它消除了一个关键障碍。”
这一进步为探索量子理论原理的新型实验铺平了道路，也是构建更大、更稳健的量子网络的关键一步。“它让我们更接近未来，在这个未来，多个遥远的量子传感器可以作为一个整体运行，量子计算机可以自由地交换量子信息，” Sergey Polyakov说。
研究人员，包括美国国家标准与技术研究院（NIST）和马里兰大学帕克分校的物理学家谢尔盖·波利亚科夫（Sergey Polyakov），以及来自NIST和马里兰大学联合量子研究所（Joint Quantum Institute）的合作者，于2025年4月23日在《Optica》期刊上发表了他们的研究成果。（DOI：10.1364/OPTICA.540759）
