Nature Photonics 報(bào)道 | 可重構(gòu)多路復(fù)用量子光子網(wǎng)絡(luò)邁向大規(guī)模量子互聯(lián)

12/24/2025，光纖在線訊，來(lái)自赫瑞瓦特大學(xué)光子與量子科學(xué)研究所的研究團(tuán)隊(duì)在《Nature Photonics》發(fā)表題為《A large-scale reconfigurable multiplexed quantum photonic network》的研究成果，展示了一種原型化的可重構(gòu)多路復(fù)用量子光子網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在兩個(gè)本地四用戶量子網(wǎng)絡(luò)之間靈活路由與交換量子糾纏，為構(gòu)建大規(guī)模、可擴(kuò)展的量子網(wǎng)絡(luò)提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

    
     量子網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是量子安全通信、分布式量子計(jì)算與量子傳感的核心基礎(chǔ)，但如何在多用戶環(huán)境中高效、穩(wěn)定地分發(fā)糾纏態(tài)，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)，始終是制約其規(guī)模化發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

     現(xiàn)有方案多依賴平面集成干涉網(wǎng)絡(luò)，隨著通道數(shù)增加，器件復(fù)雜度、熱管理與耦合損耗問(wèn)題迅速加劇。針對(duì)這一瓶頸，該研究提出了一種突破傳統(tǒng)平面光子芯片限制的“自頂向下”量子網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)路徑。

      
     研究團(tuán)隊(duì)的核心創(chuàng)新在于構(gòu)建了一種可編程8×8維多端口量子光學(xué)電路，該電路利用多模光纖內(nèi)部天然存在的復(fù)雜模式混合過(guò)程作為高維幺正變換載體，并在其前后引入四個(gè)可編程相位平面，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)獨(dú)立光子、八個(gè)橫向空間模式的按需操控。

     該結(jié)構(gòu)不依賴大規(guī)模干涉儀網(wǎng)格，而是通過(guò)對(duì)多模光纖傳輸矩陣的精確表征與反演設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高維量子操作，從而有效規(guī)避了傳統(tǒng)集成光子平臺(tái)在制造與擴(kuò)展性上的限制。同時(shí)，該多端口結(jié)構(gòu)可直接與現(xiàn)有光纖通信基礎(chǔ)設(shè)施兼容，為實(shí)際量子網(wǎng)絡(luò)部署提供了工程優(yōu)勢(shì)。

      
     在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，研究人員利用兩個(gè)獨(dú)立的糾纏光源構(gòu)建本地四用戶量子網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)該多端口器件將其連接為一個(gè)八用戶的全局量子網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)展示了多種可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)配置，包括本地糾纏分發(fā)、跨網(wǎng)絡(luò)糾纏路由以及基于并行Bell態(tài)測(cè)量的多路復(fù)用糾纏交換。

     測(cè)量結(jié)果表明，在不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，各用戶對(duì)之間的糾纏態(tài)保真度普遍高于76%，其中多組通道超過(guò)80%，且系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中保持良好的穩(wěn)定性，無(wú)需頻繁重新標(biāo)定。這些結(jié)果充分驗(yàn)證了該架構(gòu)在多用戶、高維度、可重構(gòu)量子網(wǎng)絡(luò)中的可行性與魯棒性。

     該工作標(biāo)志著量子光子網(wǎng)絡(luò)從局域多用戶演示向“類全球”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)邁出了關(guān)鍵一步，證明了基于復(fù)雜介質(zhì)與可編程光學(xué)控制的方案能夠在保持高糾纏質(zhì)量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)靈活的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與擴(kuò)展。

     研究團(tuán)隊(duì)指出，隨著相位控制層數(shù)與模式維度的進(jìn)一步提升，該架構(gòu)有望支持更大規(guī)模的用戶數(shù)量，并拓展至更高維量子態(tài)與多自由度編碼，為未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建奠定重要技術(shù)基礎(chǔ)。

轉(zhuǎn)載出處：光纖在線