2026年7月22日——量子信息以脆弱著称，而互联网流量则恰恰相反。

然而，西北大学的科学家们已经证明，两者可以在同一根光纤内和平共存。

在一项新研究中，研究人员成功地将纠缠光子通过一条连接埃文斯顿和芝加哥市中心的24.4公里长光纤传输，而同一根光纤同时承载着高容量的互联网流量。即使在传统数据的洪流中，量子信号依然保持惊人的完整性——纠缠保真度超过94%。

通过让脆弱的量子信号与强大的经典数据流共享同一根光纤，这项工作展示了在无需全新通信基础设施的情况下构建未来量子网络的实用路径。

这项发表在《Optica Quantum》期刊上的研究，标志着首次在同时承载现代商业电信流量的光纤上，实现了远程节点之间的纠缠分发。

“量子信号与经典信号相比非常非常微弱，”该研究的资深作者、西北大学的Prem Kumar表示。“这就像一只蚂蚁穿行在满是 elephants（大象）的路上。我们的结果表明，光子能够在这场旅程中幸存下来并保持纠缠。”

作为量子通信领域的专家，Kumar是西北大学麦考密克工程学院的电气与计算机工程教授，并担任光子通信与计算中心主任。该研究的第一作者是Kumar研究小组的研究生Gina Talcott。

与当今以比特（0和1）存储信息的互联网不同，量子网络依赖于量子态，例如量子计算背景下的量子比特。这包括量子纠缠，即两个粒子的量子态无论相距多远，都会不可分割地联系在一起。纠缠粒子并非通过移动来传递信息，而是可以通过一种称为隐形传态的过程，在不物理携带的情况下远距离交换量子信息。虽然这种方法超快且安全，但它对干扰极其敏感。哪怕最微小的光学噪声都可能淹没携带信息的单光子。

“在光通信中，所有信号都被转换为光，”Kumar说。“虽然用于通信的传统信号通常包含数百万个光粒子，但量子信息使用的是单个光子。”

在2024年的一项研究中，Kumar和他的合作者发现了一种帮助脆弱光子避开繁忙交通的新方法。在深入研究光在光纤中的散射方式后，研究团队找到了一种较不拥挤的光波长来放置他们的光子。然后，他们添加了特殊的滤波器以减少来自常规互联网流量的噪声。在实验室中使用一条30公里长、充满高速互联网流量的光纤进行的实验中，该方法奏效了。

“在那次实验中，我们展示了可能性的艺术，”Kumar说。“我们在30公里范围内实现了实际的量子隐形传态，但那是在实验室里。我们希望增加更多现实感，将实验带入真实世界。”

在新的实验中，Kumar在位于西北大学埃文斯顿校区的实验室中生成了纠缠光子对。每对纠缠光子中的一个光子留在埃文斯顿，而它们的搭档则通过已铺设的光纤，传输24.4公里到达位于芝加哥市中心的西北大学StarLight国际/国家通信交换设施。这些光子与两个800吉比特/秒的数据通道以及代表满载商业链路所需额外光功率的信号共享同一根光纤。

“该光纤承载的功率足以传输高达36太比特/秒的经典数据，”Kumar说。“这大致相当于通过单根光纤同时流式传输2000万个YouTube视频。”

为了防止密集的流量淹没量子光子，Kumar和他的团队将光子转移到光谱中一个较为安静的波段，即O-band。常规通信则被限制在商业系统通常运行的C-band内。

由于实验在两个物理分离的地点之间进行，研究人员还需要将网络两端同步到万亿分之一秒以内。通过使用一种名为White Rabbit的光学定时系统，他们实现了皮秒级别的同步。这种精度使得团队即使在大量背景流量中也能实时识别出匹配的纠缠光子对。

Kumar和他的团队测量的纠缠保真度超过94%，确认了纠缠在旅程中得以幸存，其程度是经典通信系统无法复现的。

这项研究是量子技术向现有电信系统整合这一更广泛趋势的一部分。Kumar和合著者Jordan Thomas最近在《Optics & Photonics News》的一篇特写文章中探讨了这一演变。

接下来，该团队计划在真实世界的电信网络上，在远程节点之间实现量子隐形传态。虽然Kumar已经在其实验室中实现了隐形传态，但他希望在一个承载商业流量的城域光纤上演示它。

“我们跨越了一座重要的桥梁，展示了我们可以进行纠缠分发，”Kumar说。“但隐形传态有两个步骤。首先，你需要分发纠缠。然后，你需要传输信息。每一步都越来越复杂和困难，但我们正在证明这是可能的。”