2026年8月5日——2025年初，特殊信号蜿蜒穿过一条架设在马里兰州郊区街道和人行道上方的光纤高速公路。这些信号抵达目的地，标志着朝着构建“量子网络”这一长久梦想迈出了重要一步。研究人员认为，这项新兴技术有朝一日或许能够以多种方式连接量子设备，从而加速科学研究、实现超安全通信，并增强未来量子计算机的能力。

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员及合作者在《Journal of Optical Communications and Networking》期刊上报告了这一进展。

一种特殊的网络

量子网络依赖于一种名为纠缠的特殊现象。这种现象常被描述为“鬼魅般的超距作用”（该说法译自阿尔伯特·爱因斯坦所造的一个短语）：纠缠物体共享一个统一的量子态，这意味着即使相距遥远，它们也无法被独立描述。当纠缠对中的一个物体被测量时，这一行为将决定对另一个物体进行测量的结果。

这些长距离连接可能重塑从天文学到地震学再到药物研发的各个领域。通过共享纠缠光子，相距数千公里的望远镜有朝一日可以收集并合并来自同一颗遥远恒星或行星的光，从而获得比任何单一望远镜独自成像都清晰得多的图像。分布在一定区域内的纠缠传感器可以“倾听”微小的地震扰动，并精确定位即将发生的地震或火山喷发。

与此同时，由纠缠量子计算机组成的网络有朝一日或许能够处理对任何单一设备来说都过于复杂的算法，帮助科学家模拟潜在的新药和新材料。另一个可能的用途是：构建超安全的通信网络，任何黑客攻击的企图都会被轻易察觉。

然而，要释放这些益处，科学家必须首先克服多项技术挑战。其中最大的障碍之一是找到一种方法，让脆弱的纠缠态在实验室之外依然存活。

量子网络的力量源于连接遥远的用户。但仅为量子应用建设整套光纤网络将极其昂贵。因此，一个由NIST、联合量子研究所（NIST与马里兰大学的合作机构）以及总部位于纽约的Qunnect公司组成的研究团队着手测试，量子网络能否运行在为当今互联网提供支撑的现有光纤基础设施之上。

“可能是你能遇到的最糟糕的连接”

研究人员在研究中使用的大部分光纤悬挂在电线杆上。白天随着气温升高，它们会膨胀；夜间则收缩。风吹动它们，鸟儿也会落在上面。所有这些因素都可能使纠缠光子在光纤中传播时发生畸变。

“这可能是你能遇到的最糟糕的连接了，”NIST物理学家、这项新研究的作者之一Oliver Slattery说。

嘈杂的环境并不会困扰承载电话、视频流、电子邮件等的所谓经典网络。在经典通信中，信息通常通过对传输光功率进行调制来编码，这种方式对机械扰动或温度变化并不敏感。

相比之下，嘈杂的光纤可能成为量子组网的拦路虎。这是因为纠缠态通常编码在所谓的光子偏振中——即光子电场振动的方向。

当光纤在风中膨胀、收缩和摇摆时，可能会扭曲和改变穿过其中的光子的偏振——从而也可能破坏微妙的纠缠态。

实时修正量子态

在这项研究中，NIST研究人员使用一种商用设备来产生纠缠光子对。每对光子共享一个量子态，其中一个光子的偏振与另一个光子的偏振相互关联。例如，两个偏振可以彼此平行或成直角。

每对光子中的一个被送入NIST实验室中的分析仪，测量该光子的偏振。另一个则穿过62公里（约38.5英里）的光纤，到达位于马里兰大学帕克分校的另一个实验室。

研究人员知道，如果不保护飞行中光子的量子态，光纤就会扭曲和改变它们，从而破坏纠缠。因此，科学家部署了两个设备来实时稳定光子的偏振。这些由Qunnect开发的设备通过光纤发送“参考”光束，并在另一端测量其偏振态发生了怎样的变化。随后，研究人员将这些变化的精确逆变换应用于实验光子，使其保持纠缠。

科学家们成功实现了每秒传输1500个纠缠光子，这一速率相当可观，不过要使量子网络具备实用性，还需进一步提升。在24小时的时间段内，研究人员有92.8%的时间能够分发纠缠光子，仅有7.2%的时间用于校正偏振。一项统计检验证实，在光纤两端检测到的光子确实仍然保持着纠缠。

这项实验并未打破长距离纠缠的纪录；一个欧洲团队在2022年通过248公里的地下光纤分发了纠缠光子。但这项新研究的突出之处在于，其光纤大部分位于地面之上，暴露在现实量子网络必须应对的各种影响之下。

“我会将这称为量子网络系统的压力测试，”NIST物理学家、这项研究的第一作者Yicheng Shi说。“我们在一个噪音极大的环境中对其进行了极端测试。令人惊讶的是，事实证明它仍然有效。这证明了量子网络协议可以在现实环境中工作。”