互联网通信革命：量子与经典的首次共存

经典与量子：两大系统的对比
为了让大家更好地理解这项突破的意义，Kumar教授首先从我们日常生活中常见的经验入手，解释了经典通信和量子通信之间的本质区别。

“不妨想象一下我们现在是如何进行经典数据传输——比如我们现在这样跨越大洋进行交流，”Kumar教授解释说，“我的声音先被转换成电信号，然后被数字化成一串0和1的编码，再通过无线信号、光纤等多种渠道传送出去。在你那边，这些数据又被解码还原成声音。从本质上讲，我们就是把比特，也就是0和1，从一个地方传送到另一个地方。”

然而，量子通信的原理则截然不同。它传输的不是一个个比特，而是一个粒子的完整量子态。理论上，我们可以直接传送粒子本身，但通过量子隐形传态技术，我们可以在不移动原粒子的前提下，实现量子态的远距离传输。

在对比经典信息和量子信息时，两者的差异更加明显：“经典信息基本上就是一个二元系统，就像一枚硬币，要么是正面朝上，要么是反面朝上，再比如电信号，要么是高电平，要么是低电平，”Kumar教授指出，“它始终只有一个确定的状态。而量子信息则可以处于一种叫做‘叠加态’的状态，也就是说，一个粒子可以同时处于两种不同的状态。”

为了进一步解释这个概念，Kumar教授打了个生动的比方：“在3D电影院里，你的眼镜的一只镜片只允许水平偏振的光通过，另一只镜片则只允许垂直偏振的光通过。这就是经典的分离。但在量子世界里，一颗单光子可以同时携带这两种偏振态。传输这种完整的叠加态——而不仅仅是‘正面’或‘反面’——这就是我们所说的量子通信。”

量子系统能够同时存在于多种状态之中（著名的薛定谔的猫的思想实验就形象地说明了这一点），这赋予了量子系统独特的能力，也使得量子通信与经典数据传输有着本质的区别。经典通信只能传输比特（0 和 1），而量子通信则能传输粒子的完整量子态，包括所有可能的叠加态。

打破量子壁垒
传统观点认为，量子信号（由单光子携带）会被经典数据传输所使用的数百万光子淹没。然而，Kumar教授的团队找到了一个巧妙的解决方案：通过仔细测量光在光纤中的散射方式，他们找到了一个“安静”的波长，使量子信号能够不受干扰地传输。

“我们在测量了拉曼散射光子的分布后，精确地选择了1290纳米这一波长，并在这里创建了量子信道。”Kumar教授解释道。对波长的精准选择至关重要，让量子信号能够与在1550纳米左右的强力经典通信信号共存。

光散射的挑战
研究团队面临的主要障碍之一是拉曼散射——当光与光纤中玻璃分子振动相互作用时，会将光散射到不同的波长，从而可能淹没本就微弱的量子信号。

“光纤本质上是一种非常细的导光管，一根固体的玻璃丝。”Kumar教授解释道，“当光在纤芯中传输时，会受到玻璃分子振动的影响。”

为解决这一问题，团队采用了系统而精确的方式。通过对光纤中拉曼散射的测量，他们找到了类比于大气“透明窗口”的波长区间，进而将量子信道选定在1290纳米，而在1550纳米左右则进行经典通信。

纠缠与量子存储器的作用
量子隐形传态的核心是纠缠现象——爱因斯坦称之为“鬼魅般的远距作用”。要完成隐形传态，发送者（通常被称作 Alice）和接收者（Bob）事先需要共享纠缠光子对。“它是一种资源，”Kumar教授解释说，每一次的隐形传态都会消耗一对纠缠光子。

挑战在于如何存储这些纠缠态。量子存储器——能保持量子态的装置——仍是一个至关重要的研究领域。目前，各种基于原子、离子或固态系统的方法都展现了潜力，但如何实现高效且寿命长的量子存储器，仍是该领域的一大难题。

技术成就
这项实验在同一根光纤同时传输400 Gbps（相当于同时播放约10万部高清电影）的经典数据情况下，成功演示了量子隐形传态。团队在30公里的传输距离上，通过精密的滤波技术，确保量子信号保持完好。

“我们在拉曼散射方面遭遇的干扰水平，与探测器本身的暗计数噪声相当，”Kumar教授解释说。这一突破表明，量子通信或许能直接利用现有的光纤网络，而无需完全重新建设一套新的系统。

理解量子隐形传态
不同于将信息转换为电信号、再变成光脉冲的经典通信方式，量子隐形传态依赖的是量子纠缠。这种过程允许一个粒子的量子态即刻反映到另一个粒子上，哪怕二者相隔甚远。

然而，Kumar教授特别强调了一个重要区别：虽然量子态的塌缩可以说是瞬时，但要真正使用这条信息仍需通过经典通信——它受限于光速。“量子态的塌缩虽是瞬时，但若没有经典信息的辅助，就无法加以利用，”他解释道。

安全与应用：现实意义
这一发现对安全领域有重大意义。与依赖于数学难度的经典加密不同（未来有可能被更强大的量子计算机破解），量子通信的安全性建立在物理定律之上。“目前的加密系统有被‘先记录后破解’的风险，”Kumar教授指出，“量子通信或许能提供一种更面向未来的安全方案。”

这项技术的潜在应用不仅限于安全通信。它还能实现分布式量子计算：通过量子隐形传态，将不同地点的量子处理器连接起来，从而创建更大规模的量子计算系统，而不需要打造庞大的单体量子处理器。

从ARPANET到量子网络：历史的类比
Kumar教授将当下的量子网络与经典互联网的早期作了对比。“我们正处于类似20世纪70年代时经典通信所处的阶段，”他提到当时的ARPANET（互联网的前身）。正如Vint Cerf和Bob Kahn等早期先驱所研发的TCP/IP协议，至今仍然是互联网的骨干，今天的研究人员也在为量子通信制定新的协议。

展望：挑战与机遇
尽管取得了这一重大突破，Kumar教授坦言，要实现真正实用的量子网络，我们还有很长的路要走。目前仍存在诸多亟待攻克的技术难题，例如：如何开发能稳定存储纠缠态的量子存储器、如何构建可实现远距离传输的量子中继器、如何实施高效可靠的量子纠错机制，以及如何将这些全新的技术与现有的网络基础设施无缝对接。尽管如此，Kumar教授对未来充满信心，他表示：“如今的科技发展日新月异，经典通信领域耗费50年才取得的成就，在量子通信领域或许只需10到20年即可实现。”

前进的方向
西北大学的团队已经在规划下一步，准备将实验从实验室环境转移到实际的地下光纤网络中，测试系统在真实使用条件下的可靠性。

这项研究发表在《Optica》期刊上，其意义不止在于技术成果本身，还在于对量子通信基础设施的全新思考。与其新建网络，不如直接在现有的光纤网络中整合量子通信，这将大大加速实用化量子网络的进程。

“我们正处于通信的新时代开端，”Kumar教授总结道，“将量子和经典信号整合到同一条光纤基础设施中，可能会彻底改变我们对未来安全通信的思考方式。”