导读

量子隐形传态提供了一种在不传输其物理载体的情况下传送量子信息的方法，是未来量子网络的核心功能之一。自1993年提出以来，量子隐形传态已经在各种量子系统中实现。光子作为“飞行”的量子比特，是实现远距离量子隐形传态的良好量子信息载体。光子量子隐形传态已经在室内光纤、实际城市光缆以及卫星与地面之间的自由空间传输条件下得以验证。光量子芯片技术将多个光学器件集成到单个芯片上实现复杂的量子信息功能，为简化光子量子隐形传态的物理实现提供了一种有前景的方法。目前，已在10米光纤传输的条件验证了其可行性，如何实现芯片间更远距离的量子隐形传态仍然是一个重大挑战。

近期，清华大学电子工程系张巍教授，黄翊东教授团队通过设计和实现时间片编码的量子隐形传态光量子芯片，将芯片间量子隐形传态的光纤传输距离提升了3个数量级，达到12.3公里，展示了光量子芯片技术在未来量子网络中应用的巨大潜力。相关研究成果以 “Chip-to-chip photonic quantum teleportation over optical fibers of 12.3 km” 为题发表于Light: Science & Applications。

量子隐形传态为实现量子节点间的互联以及构建量子网络提供了重要的途径。使用光子作为量子信息载体的量子隐形传态目前已通过分立器件在光纤中、卫星与地面间得到实现。光量子芯片技术可以通过在一个芯片上集成大量光子器件实现复杂的光量子信息功能，为简化量子隐形传态的物理实现提供了一种有前景的方法。目前，通过偏振编码的量子态已在10米光纤传输的条件验证了其可行性，如何实现更远距离光纤传输的芯片间量子隐形传态仍然是一个重大挑战，需要克服长距离光纤传输引入的线路损耗、偏振波动和长度波动等一系列影响，对光量子芯片的设计和制备，以及量子隐形传态的系统实现提出了新要求。

本文采用对光纤偏振波动具有更好鲁棒性的时间片编码光量子态实现芯片间的量子隐形传态功能，通过优化芯片设计将芯片间量子隐形传态的光纤传输距离提升了3个数量级，达到12.3公里。研究团队在一个硅光子芯片上设计并制备了三个量子光路，每个量子光路执行量子隐形传态的不同功能，分别是在用户节点的预报式时间片编码单光子产生功能，在中继节点的时间片纠缠光子对产生和贝尔态测量（BSM）功能，在中心节点的传送光子进行投影测量的功能。在实验中，在用户节点片上光路产生的时间片编码单光子通过6.15公里光纤发送到中继节点。中继节点的片上光路产生时间片纠缠光子对，光子对中的一个光子被用来与用户节点发来的单光子进行片上 BSM测量，另一个光子则通过另一段光纤发送到中心节点。中心节点的片上光路则用来对接收到光子进行投影测量，论证隐形传态功能。

图1：(a) 星形拓扑量子网络中量子隐形传态应用场景。 (b) 用户节点、中继节点和中心节点间的光子量子隐形传态功能。 (c)-(e) 用户、中继和中心节点的硅光量子芯片片上光路设计。 (f) 制备出的硅光子芯片的照片，集成了三个节点的片上光路

研究团队对光量子芯片进行了精心设计，核心难点是用于时间片编码的非平衡马赫-曾德干涉仪（UMZI），其臂长差达到400ps。他们对UMZI内的延迟波导结构进行了优化，将波导传输损耗降低到0.2?dB/cm。此外，他们还在UMZI内集成了波导布拉格光栅（WBG）结构的带阻滤波器，用来有效的消除不必要的泵浦光。这些设计成功抑制了片上光子噪声，并增强了通过硅波导中的自发四波混频产生时间片编码预报式单光子态和时间片纠缠贝尔态的质量。

此外，研究团队在实验系统中建立了一个主动反馈系统，通过使用一个可变光学延迟线来动态补偿光纤长度的变化，从而抑制芯片间光纤长度随环境变化波动的影响，确保在环境扰动的情况下在中继节点芯片上接收的用户节点光子和产生的纠缠光子对保持同步，从而实现中继节点BSM测量的稳定量子干涉。最终，实验系统中用户节点光子到达中继节点的时间抖动标准差控制到2.2 ps。基于此实验系统，经过12.3公里光纤传输的芯片间量子隐形传态实验中量子态的平均保真度约为81%。

图2：主动反馈系统的性能。(a) 和 (b) 未通过反馈控制进行稳定时的室温和 Δdelay 波动。(c) 和 (d) 激活反馈系统后的稳定 Δdelay。σ 代表 Δdelay 波动的标准差

总结与展望

本论文设计并实现了时间片编码的量子隐形传态硅光量子芯片。该芯片通过优化波导结构来降低片上传输损耗，并通过引入带阻滤波器降低自发四波混频效应在片上产生的噪声光子。使用该芯片建立了三节点间12.3 km 光纤传输的量子隐形传态实验系统，并通过建立基于可变光学延迟线的主动反馈系统动态补偿光纤长度的变化，实现了中继节点BSM测量的稳定量子干涉，从而实现了平均保真度约为81%的芯片间量子隐形传态。这项工作表明光量子芯片技术可以在保证量子隐形传态功能的同时大大简化其物理实现，为未来量子网络的核心功能集成提供了有力的技术支撑。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01920-z