英国物理学家成功地在两个四用户量子网络之间实现了光子纠缠态的路由与传送，该成果是可扩展量子通信发展过程中的一个重要里程碑。英国苏格兰爱丁堡赫瑞瓦特大学的梅胡尔 · 马利克（Mehul Malik）和纳塔莉亚 · 瓦伦西亚（Natalia Valencia）领导的团队能够实现这一突破，得益于一种新方法：利用普通光纤中的光散射过程编程电路。这种方法与基于光子芯片的传统方案截然不同，使电路能够作为可编程的纠缠路由器，根据需要实现多种不同的网络配置。

该研究团队使用市面上可售的光纤进行实验。这类光纤是多模结构，光在其中会通过随机的线性光学过程发生散射。瓦伦西亚解释称，简单来讲，这意味着光会沿着数百条内部路径在光纤中混乱地来回反弹。尽管这一效应会打乱纠缠，但法国巴黎朗之万研究所的研究人员此前发现，可以通过分析光纤对光的传输特性计算这种“打乱”的程度。不仅如此，这种介质中的光散射过程还可以被用于构建可编程的光学电路，而这正是马利克、瓦伦西亚及其同事所做的事。

“自上而下”的方法

研究人员解释说，这种“自上而下”的方法简化了电路架构，因为它将控制光的层面与光被混合的层面分离开来。使用波导传输和操控光的量子态也降低了光学损耗。最终，研究人员得到的是一种可重构的多端口器件，它可以同时以多种模式向多个用户分发量子纠缠，并根据需要在不同信道之间切换，例如仅限本地连接、全局连接，或两者兼有。

此外，这些信道还可以复用，使多个量子处理器能够同时接入该系统。研究人员表示，这类似于经典电信网络中的复用技术：通过在同一根光纤中使用不同波长的光，就能传输海量数据。

可动用大量光学模式

尽管对纠缠光态的控制和分发是量子网络的核心，但马利克表示，这一过程伴随着多重挑战。其中之一是，基于光子芯片的传统方法难以扩展并规模化，而且对制造过程中的瑕疵极其敏感。相比之下，赫瑞瓦特大学团队开发的这种基于波导的方法“可以动用大量光学模式，在可实现的电路规模、质量和损耗方面带来显著改进”。他补充说，这种方法还能与现有的光纤基础设施自然兼容。

然而，要掌控波导内部复杂的散射过程并不容易。“主要的挑战在于学习曲线，以及理解如何在这样复杂的介质中控制光的量子态，”瓦伦西亚回忆道，“这需要时间和反复尝试，但我们现在已经获得了实现可靠纠缠分发所需的可重构的精确控制能力，在纠缠交换方面则更是如此——而纠缠交换正是可扩展网络的关键。”

尽管赫瑞瓦特团队使用该技术展示了灵活的量子网络，但马利克和瓦伦西亚表示，它或许同样可以用于实现大规模光子电路。两人补充称，此类电路在机器学习、量子计算和量子网络等领域都具有广泛的应用潜力。

该团队的研究人员在《自然-光子学》（Nature Photonics）期刊上发表了此项研究成果。在展望未来时，他们称目前正致力于探索更大规模的电路，使其能够处理更多的光子和光学模式。“我们也希望能将部分网络技术从实验室带到现实世界。”马利克表示。此外，瓦伦西亚已在牵头推动相关的商业化工作。

资料来源 Physics World