量子互联网里程碑：首次实现三方量子隐形传态
光子盒研究院出品
未来量子互联网基于在网络节点之间发送量子信息（量子比特）的能力。这将实现各种应用，例如安全地共享机密信息、将多台量子计算机连接在一起以提高其计算能力，以及使用高精度、可连接的量子传感器[1]。
这种量子网络的节点由小型量子处理器组成。但在这些处理器之间发送量子信息绝非易事。一种是使用光子发送量子比特，但由于光缆中不可避免的损耗，特别是长距离传输，光子很可能无法到达目的地。由于简单地复制量子比特从根本上说是不可能的，一个光子的丢失意味着量子信息不可挽回地丢失了。
隐形传态（Teleportation）提供了一种更好的发送量子信息的方式：可以在不同地点之间传输信息，而无需实际移动保存信息的物质。这使得量子隐形传态成为未来量子互联网的关键技术。
实现量子比特的隐形传态需要几个要素：发送者和接收者之间的量子纠缠链接，读取量子处理器的可靠方法，以及临时存储量子比特的能力。先前的研究表明，在两个相邻节点之间隐形传态量子比特是可能的。
QuTech的研究人员现在首次表明，他们可以满足一揽子要求，实现量子网络中非相邻节点之间的隐形传态。具体来说，在一个中间节点“Bob”的帮助下，将量子比特从节点“Charlie”传送到节点“Alice”。5月25日，研究成果以《量子网络中非相邻节点之间的量子比特隐形传态》[2]为题在《自然》杂志上发表。
该团队负责人、代尔夫特理工大学物理学家Ronald Hanson表示[3]：“我们现在正在实验室中构建小型量子网络，但我们最终是想建立一个量子互联网。”
QuTech是代尔夫特理工大学（TU Delft）和荷兰应用科学研究组织（TNO）的共建单位。
隐形传态由三个步骤组成。首先，必须准备好“隐形传态器”（teleporter）——必须在Alice和Charlie之间建立一个纠缠态。
Alice和Charlie没有直接的物理联系，但他们都与Bob直接相连。为此，Alice和Bob在他们的处理器之间创建了一个纠缠态，估计保真度为0.61。然后Bob存储自己那部分的纠缠态；接下来，Bob又与Charlie创建了一个纠缠态。实验通过在Bob处理器中进行贝尔态测量（BSM），Bob可以把纠缠态发送出去，结果Alice和Charlie就会被纠缠在一起。
第二步是Charlie创建要传送的“信息”——量子比特，为了证明隐形传态的普遍有效性，研究人员对各种量子比特值重复了整个实验。
第三步是实际进行从Charlie到Alice的隐形传态。在此过程中，Charlie对他的量子处理器和他的一半纠缠态（Alice拥有另一半）的信息进行了联合测量。接着，信息在Charlie这边消失了，并立即出现在了Alice那边。
a.三个网络节点：Alice(A)、Bob(B)和Charlie(C)，通过光纤链接(线)以线状配置连接。每个设置都有一个通信量子比特（紫色），能够与其相邻的节点产生纠缠关系。此外，Bob和Charlie都有一个存储量子比特（黄色）。b.隐形传态协议的步骤。(1)通过在B上使用纠缠交换协议在A和C之间建立纠缠来准备隐形传态器，然后将C的状态交换到存储量子比特上。(2)要传送的量子比特状态是在C的通信量子比特上制备的。(3)对C的量子比特进行贝尔态测量（BSM），结果通过经典信道传达给A。根据这个结果，A应用一个量子门来获得被隐形传态的量子比特状态。
非相邻网络节点之间的量子比特隐形传态。a.隐形传态协议线路图。b.六个基态的隐形传态保真度。c.Charlie的BSM保真度结果。d.有条件和无条件隐形传态的平均状态保真度。
事实上，量子比特在传输时已经被加密了：密钥由Charlie的测量结果决定的，所以Charlie先将测量结果发送给Alice，Alice再进行相关量子操作（如“比特翻转”）来解密量子比特。
这之后，量子信息就适合进一步使用，隐形传态已经成功了！
Alice节点的工程实现示意图。在黑色的铝制圆筒内，金刚石样品被冷却到-270°C，以减少来自环境的噪声并实现量子控制。资料来源：Marieke de Lorijn for QuTech。
在这项工作中，研究团队实现了量子网络中非相邻节点之间的无条件量子比特隐形传态。
未来，工作将集中在进一步改善相位稳定性和扩展当前方案以用于部署的光纤上；通过实现文中提出的链路协议量子比特隐形传态和利用隐形传态的应用也可以在独立于平台的控制软件进行网络执行和测试。
因此，从长远来看，这种类型的隐形传态将作为量子互联网的骨干。
参考链接：
[1]https://qutech.nl/2022/05/25/teleport-quantum-information-across-network/
[2]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04697-y
[3]https://www.nytimes.com/2022/05/25/technology/quantum-internet-teleportation.html