- 研究團隊成功展示量子態透過開放空氣傳送，距離達21公里。
- 新技術可擴展量子網絡覆蓋範圍，增強應用彈性。
- 糾纏光子的量子特性在長距離傳輸中保持關聯性，具應用潛力。
- FSO技術可連接不同波長的量子處理器，推進量子網絡發展。
在構建量子網絡的過程中,光纖纜線一直被視為不可或缺的基礎設施,然而其物理限制卻成為長期困擾業界的難題。光纖雖然可以將脆弱的量子訊息傳送至遠距離,但相關基礎設施部署成本高昂,而且只適用於特定電訊波長,難以兼容量子技術所需的其他波長範圍。更關鍵的是,量子訊號極為敏感,光纖傳輸過程中的訊號衰減與幹擾會嚴重限制傳輸距離。
量子通訊的新突破
布魯克黑文國家實驗室與石溪大學的研究團隊近日成功展示另一種可行方案:將光的量子態透過開放空氣傳送,距離長達 21 公里(13 英里)。這是美國境內首次同類型的量子通訊實驗,為該國現有最長的量子網絡新增無線傳輸環節。該網絡原本已跨越約 259 公里(161 英里),連接八個節點,本次成果進一步拓展其覆蓋範圍與應用彈性。
2025 年 8 月 21 日的日間測試中,研究人員在石溪大學的「量子觀測塔」設施操作雷射,產生每次僅含少量光子的量子態。該設施設於紐約州石溪大學健康科學中心的屋頂。光子從直徑僅 5 微米的光纖端射出,這個尺寸不到人類頭髮寬度的十分之一,隨後穿越大氣層傳播 21 公里,抵達紐約州厄普頓的布魯克黑文「量子燈塔」,由超高速相機在光子進入另一條微型光纖時成功偵測。
傳統無線技術無法勝任這項任務,因為無線電射頻的雜訊過大,無法保留光子所攜帶的脆弱量子資訊,研究團隊因而選擇以光作為傳輸媒介。然而,光在大氣中傳播時面對另一項挑戰:大氣湍流會扭曲光的傳播路徑,可能擾亂量子資訊。為解決此問題,團隊引入天文學領域的專業技術,運用望遠鏡技術與自適應光學系統,補償大氣湍流帶來的影響,精確收集並控制光束。
布魯克黑文實驗室科學家 Justine Haupt 指出:「一般人認為望遠鏡是用於觀測太空的工具,但事實上,讓天文學家能精確收集與控制光的技術,對於這類量子實驗同樣不可或缺。」研究團隊同時需要建造專門的屋頂設施,並整合光學、控制系統、通訊設備、量子源與偵測器,使相距 21 公里的兩套設備能夠作為單一實驗協同運作。
糾纏光子的應用潛力
日間實驗證明光的量子態可透過新的自由空間光學(FSO)鏈路跨越長距離。為進一步驗證技術能力,研究人員轉而進行更具挑戰性的測試,改為傳輸糾纏光子。在背景光較低的夜間測試中,團隊先從石溪大學物理實驗室透過光纖將糾纏光子發送至量子觀測塔,隨後光子透過開放空氣鏈路分發,最終在量子燈塔成功接收並量度。
糾纏光子的量子特性在粒子相隔極遠距離時仍能保持關聯性,這使其在未來安全通訊、量子感測以及連接量子電腦的網絡方面具有極大應用潛力。石溪大學量子研究所所長 Eden Figueroa 形容:「在現有的長距離光纖網絡中,我們定期傳輸糾纏光子對,但光纖網絡僅限於使用電訊波長。在新的量子無線鏈路中,我們正探索使用對量子處理器及相關技術而言更為自然的紅外線波長。這將提供直接途徑,於遠距離建立糾纏原子系統。」
FSO技術的發展方向
新的 FSO 連接並非要取代光纖,而是協助量子網絡覆蓋難以透過傳統纜線連接的地點與裝置。同時,這項技術讓研究人員得以使用商業電訊光纖偏好以外的波長,有望更輕易地連接在不同波長運作的量子處理器及其他技術。下一階段的擴展計劃已在推進中,位於康涅狄格州紐黑文的耶魯大學第三個 FSO 設施已經落成,而石溪大學至耶魯大學之間的連接仍在建設。
一旦投入運作,該鏈路將可讓研究人員將糾纏光子透過長島海灣發送至 48 公里(30 英里)外。研究團隊最終構想是運用 FSO 網絡連接布魯克黑文與石溪大學的量子電腦,使其能夠協同處理單一機器難以獨自解決的難題。長遠目標是將量子資訊透過地球大氣傳送至衞星,協助連接偏遠地區,毋須依賴大規模地面電訊基礎設施。類似實驗已證明光子可從飛機傳輸至地面站,為流動及衞星量子網絡奠定基礎。
布魯克黑文實驗室科學家 Gabriella Carini 總結指出:「將衞星納入網絡,有望為電訊基礎設施有限的鄉郊或偏遠地區提供安全量子通訊,將量子網絡從區域規模提升至全球層次。」這項技術突破為量子互聯網的全球化願景邁出關鍵一步,同時也為未來量子運算資源的跨地域協作開闢新路徑。
量子通訊技術的未來展望
這項研究展示了量子通訊技術的潛力，尤其是在無線傳輸方面的突破。隨著量子技術的進步，未來可能實現更廣泛的應用，包括安全通訊和量子計算的協同運作。FSO技術的引入不僅解決了傳統光纖的限制，也為連接偏遠地區提供了新途徑，這對於全球量子網絡的發展至關重要。