科学家们刚刚利用光实现了信息传送

信息来源：
https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251129044516.htm

在全球网络安全威胁日益升级的背景下，德国斯图加特大学领导的研究团队在《自然通讯》杂志上宣布了一项重要技术突破——首次实现了来自两个不同量子点的光子之间的量子隐形传态。这一成果解决了构建量子互联网面临的最棘手难题之一，为建立防篡改的远距离量子通信网络铺平了道路。在人工智能技术使网络攻击手段愈发复杂的今天，这项基于量子物理学原理的通信技术突破显得尤为及时。

量子密码学依托量子力学的基本定律来保护信息安全，其核心优势在于任何窃听行为都会不可避免地改变量子态，从而被通信双方立即察觉。然而，理论上的安全承诺与实际应用之间仍存在巨大鸿沟。最大的障碍之一是如何在现有光纤基础设施上实现远距离量子通信，而量子中继器正是攻克这一难关的关键装置。

从量子纠缠到信息跃迁

量子隐形传态这一听起来像科幻小说的概念，实际上是量子物理学中一个严格定义的现象。它允许将一个光子的量子态精确转移到另一个光子上，而无需物理传输光子本身，也不违背光速限制。这种信息传递方式依赖于量子纠缠——一种爱因斯坦称之为"鬼魅般的超距作用"的量子关联。

在当代信息传输中，无论是发送社交媒体消息还是流媒体视频，数据都以经典比特的形式编码为零和一。量子通信采用类似逻辑，但信息载体变成了单个光子，通过其偏振方向来编码信息。水平偏振可以代表零，垂直偏振代表一，或者处于两者的量子叠加态。由于量子测量的本质特性，任何试图拦截并读取这些光子状态的行为都会不可逆地扰动系统，使窃听者暴露。

传统光纤通信网络依靠光放大器来克服信号衰减，每隔约五十公里就需要增强信号。但量子信息遵循量子不可克隆定理，无法像经典信号那样被复制或放大。这就需要量子中继器——它利用量子隐形传态在信息消失前将其转移到新的光子上，从而实现跨越数百甚至数千公里的安全通信。

斯图加特大学半导体光学与功能接口研究所所长彼得·米希勒教授强调："这是全球首次在来自两个不同量子点的光子之间实现量子隐形传态。"这一突破的难度在于，隐形传态要求参与的光子在时间同步性、频率、偏振等多个参数上几乎完全一致。当光子来自不同物理光源时，确保这种一致性极具挑战性。

半导体量子点：微观世界的光子工厂

研究人员已实现不同量子点产生的光子之间的量子隐形传态，这是构建安全量子网络的关键一步。随着光子匹配和光纤传输技术的改进，可扩展量子中继器的发展路径正变得越来越清晰。

研究团队选择的光子源是半导体量子点——纳米级的半导体晶体结构，其行为类似人造原子。当电子在这些量子点中跃迁时，会发射出具有特定能量和特性的单个光子。论文第一作者、该所科学家蒂姆·斯特罗贝尔解释："在这些半导体岛中存在固定的能级，就像原子一样，这使得我们能够产生具有明确特征的单光子。"

关键技术突破来自德累斯顿莱布尼茨固体与材料研究所研发的高度一致性量子点。通过精密的材料工程和制造工艺，研究人员创造出结构差异极小的量子点，使它们能够发射几乎相同的光子。这种微观尺度的精确控制是实现不同位置光源间隐形传态的前提条件。

实验设计采用了量子通信领域的经典方案：一个量子点发射携带待传输信息的光子，另一个量子点产生一对纠缠光子。纠缠光子对中的一个被送到第一个量子点所在位置，与信息光子相互作用。当这两个光子在特定条件下重叠并被联合测量时，它们的叠加态会将信息瞬间转移到远处的另一个纠缠光子上，完成隐形传态。

频率转换器：调和微观世界的"音准"

即使是最精密制造的量子点也无法完全相同，它们发射的光子在频率上仍存在微小差异。这就像两架钢琴即使经过精心调音，仍会有细微音准偏差。为了解决这个问题，研究团队引入了由萨尔兰大学克里斯托夫·贝歇尔教授团队开发的量子频率转换器。这种装置利用非线性光学效应，能够精确调节光子频率，使来自不同量子点的光子达到几乎完美的匹配。

在实验中，两个量子点通过约十米长的光纤连接。虽然这个距离看似不长，但它验证了技术原理的可行性。米希勒指出："在不同量子点的光子之间传输量子信息是跨越更远距离的关键一步。"此前的研究已经证明，量子点产生的纠缠光子能够承受穿越斯图加特市中心三十六公里光纤的传输而保持纠缠特性，这为扩展隐形传态距离提供了信心。

当前实验的隐形传态成功率略高于百分之七十，虽然已经远超随机水平，但仍有改进空间。斯特罗贝尔表示："每个量子点内部的微小差异仍然会导致光子出现不一致性。我们希望通过推进半导体制造技术来减少这种现象。"这涉及到材料科学、纳米加工和量子光学的跨学科协作。

从实验室到城市级量子网络

这项研究是德国联邦研究、技术和空间部资助的"量子中继器网络"项目的重要成果。该项目由萨尔兰大学协调，汇集了四十二个来自大学、研究机构和企业的合作伙伴，致力于在光纤网络中开发和测试量子中继器技术。它建立在前期"量子中继器链路"计划的基础上，后者已为在全国范围建设量子中继器奠定了技术基础。

全球量子通信领域正经历从基础研究向工程化部署的关键转折。中国在量子通信实用化方面走在前列，已建成连接北京与上海的两千多公里量子保密通信骨干网，并发射了世界首颗量子科学实验卫星"墨子号"，实现了星地量子密钥分发。欧美国家也在加速布局，欧盟启动了量子通信基础设施计划，美国能源部发布了量子互联网蓝图。

然而，现有的量子密钥分发网络主要依靠可信中继节点，这些节点在理论上存在安全隐患。真正的量子中继器则基于量子隐形传态和纠缠交换，能够在不泄露信息的情况下延长通信距离，提供更高级别的安全保障。斯图加特团队的突破正是朝这一方向迈出的关键一步。

研究协调员之一西蒙·卢卡·波塔卢皮博士表示："完成这项实验是我们长久以来的夙愿。看到专注于基础研究的实验正朝着实际应用迈出第一步，这令人振奋。"团队的近期目标包括将隐形传态距离扩展到数十公里甚至更远，将成功率提升到接近百分之九十，并探索在实际城市光纤网络环境中的性能表现。

迈向量子互联网的漫长征程

量子中继器的成功研制将为构建全球量子互联网铺平道路。设想未来的量子网络：银行间的金融交易数据、政府机密通信、医疗健康档案都通过量子加密通道传输，任何窃听或篡改企图都会立即触发警报。分布式量子计算机可以通过量子互联网连接，共享量子纠缠资源来解决经典计算机无法处理的复杂问题。

但技术挑战依然艰巨。量子中继器需要量子存储器来暂时保存量子态，目前的存储时间和保真度尚不理想。纠缠纯化技术需要进一步完善，以抵消传输过程中的噪声和损耗。与现有电信基础设施的兼容性、成本控制、标准化等工程问题也有待解决。

从更广阔的视角看，量子通信技术的发展是人类应对信息安全威胁的长期战略。随着量子计算能力的提升，现有的RSA等公钥加密算法面临被破解的风险，后量子密码学和量子密钥分发将成为保护信息安全的双重屏障。斯图加特团队在量子中继器领域的突破，为这一战略目标的实现增添了重要的技术基石。

正如米希勒所言，这项成果体现了多年科研奉献和进步的结晶。从制造近乎完美的量子点，到开发精密的频率转换器，再到实现稳定的隐形传态，每一步都需要对量子系统的深刻理解和对实验技术的极致追求。当信息以光的形式在量子世界中跃迁时，我们正在见证一个更安全的数字未来的曙光。