量子隐形传态是一种利用量子纠缠效应可以在两个远距离的量子对象（发送者和接收者）之间传输量子信息的技术，这个过程的独特之处在于实际信息并没有通过连接两个对象的通信渠道将量子比特发送到另一个位置，相反，实际信息在一个位置被销毁并出现在另一个位置，而两个位置之间并没有物理传输。这种令人惊讶的特性是由量子纠缠实现的，并伴随着经典比特的传输。
如今，由于量子隐形传态可以利用事先共享的纠缠态在网络节点之间远距离传输量子比特，因此量子通信和量子网络领域对它产生了浓厚的兴趣。这将有助于将量子技术集成到现有的电信网络中，并将这些系统提供的超安全通信扩展到非常长的距离。此外，量子隐形传态还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者不同种类的量子节点之间。
量子隐形传态是上世纪九十年代初从理论上提出的，并由几个研究团队进行了实验验证。尽管科学界在如何执行这些实验方面已经积累了丰富的经验，但如何以一种实用的方式传送信息，使得可靠快速的量子通信能够在扩展网络中实现，仍然是一个开放性问题。很显然这样的基础设施应该与当前的电信网络兼容。此外，量子隐形传态协议需要在传输量子比特（通过经典比特传输）的情况下，对传送的量子比特进行最终操作，以保证信息的可靠传递和更高的传输速率，这是一种称为“主动前馈”的特征。这意味着接收者需要一种称为量子存储器的设备，可以在不衰变的情况下存储量子比特，直到最终操作实施为止。最后，这种量子存储器应该能够以多路复用的方式运行，以在发送者和接收者相距很远时最大限度地提高传送信息的速度。到目前为止，还没有一种方案同时满足这三个要求。
由巴塞罗那光子科学研究所的Hugues de Riedmatten教授领导的研究团队( Dario Lago-Rivera、Jelena V. Rakonjac、Samuele Grandi )成功地实现了从光子到固态量子比特的远距离隐形传态，即将存储在多路复用量子存储器中的光子的量子信息传送到一个固态量子比特之中。该技术采用了一种称为“主动前馈”的方案，结合了存储器的多模式性，使得量子传送速率得以最大化，所提出的架构与电信渠道兼容，因此未来可以实现长距离量子通信的集成和扩展，这项研究成果已经发表在《Nature Communications》期刊上。
实验装置示意图。a在Alice处产生纠缠光子对，信号光子被传送到掺杂Pr的晶体中，通过5 m或1 km长的光纤将闲置光子发送到Alice处。在 Bob处利用1436 nm的光产生任意量子比特并干扰闲置光子以执行BSM。探测结果传回到Alice处进行处理，这样就可以正确利用前馈信号。周期性极化铌酸锂 (PPLN)、二向色镜 (DM)、带通滤波器 (BPF)、移相器 (PS)、单光子探测器 (SPD)、滤波器腔 (FCav)、声光调制器 (AOM)、可变衰减器（VA）。b Pr3+ :Y2 SiO5的相关能级图。c 布洛赫球标记了我们实验中所有相关的量子比特状态。图片来源：Nature Communications (2023)
如何实现量子隐形传态
该团队建立了两个实验装置，通常被称为Alice和Bob。这两个装置通过一根长为一公里光纤连接在一个线轴上，以模拟双方之间的物理距离。实验中涉及了三个光子。在第一个装置 Alice中，该团队利用一种特殊的晶体来产生两个纠缠光子：第一个606 nm的光子称为信号光子，第二个光子称为闲置光子，与电信基础设施兼容。一旦产生了这对纠缠光子，Dario Lago 回忆道：“我们将第一个606 nm光子保存在Alice中，并将其存储在多路复用固态量子存储器中，以供将来处理。同时，我们将在Alice中产生的电信光子取出并通过一公里的光纤发送到第二个实验装置（Bob）”。在第二个设置中，该团队的研究人员利用另一个晶体产生第三个光子，并在其中编码了他们想要传送的量子比特。一旦第三个光子被产生，第二个光子就从Alice那到达了Bob中，这就是隐形传态实验的核心所在。
超过一公里的信息传送
第二个和第三个光子通过所谓的贝尔态测量 (BSM) 相互干涉，这种测量的效果是混合了第二个和第三个光子的状态。由于第一个和第二个光子事先就是纠缠在一起的，即它们的联合态高度相关，因此BSM的结果是将第三个光子中编码的信息传输到距离一公里的存储在Alice量子存储器中的第一个光子中。正如 Dario Lago和 Jelena Rakonjac所提到的：“我们能够在两个光子之间传递信息，这两个光子以前从未接触过，但通过第三个光子连接起来，而第三个光子确实与第一个光子纠缠在一起。这个实验的独特之处在于我们采用了能够将第一个光子存储足够长的时间的多路复用量子存储器，这样当Alice发现交互已经发生时，我们仍然能够按照协议要求处理传送的信息”。Dario和Jelena 提到的这个处理就是前面提到的主动前馈技术。根据BSM的结果，将相移应用到存储器中存储后的第一个光子中。这样，相同的态将始终编码到第一个光子中。否则，将不得不丢弃一半的传送事件。此外，量子存储器的多模式性使他们能够在不降低传输的量子比特的质量的情况下，增加传送速率，超越了它们之间一公里距离所施加的限制。总体而言，这导致隐形传态速率比单模量子存储器高三倍，仅受经典硬件速度的限制。
集成和可扩展性
该研究团队在2021年进行的实验首次实现了两个相距10米并由电信波长的光子传送信号的多模量子存储器的纠缠，这是这项实验的前提条件。正如Hugues de Riedmatten所强调的：“量子隐形传态对于未来量子互联网实现高质量的远距离通信至关重要。我们的目标是在以前分布式纠缠的更加复杂的网络中实现量子隐形传态。我们量子节点的固态和多路复用特性以及它们与电信网络的兼容性，使它们成为在已安装的光纤网络中远距离部署该技术的有前途的方法”。该研究团队已经计划进一步改进，一方面，研究人员致力于开发和改进技术，以便在保持效率和速率的同时将装置扩展到更长的距离。另一方面，他们还旨在研究并利用这种技术在不同类型的量子节点之间传递信息，以便未来的量子互联网可以实现在远程各方之间分发和处理量子信息。
