在 2022 年 7 月 6 日發表於《自然》雜誌上的一篇文章中，來自德國慕尼黑大學（LMU）大學的一支研究團隊，介紹了他們如何在 33 公里（20.5 英里）長的通訊光纜上，成功地實現了兩個量子之間的糾纏。作為量子領域的一種奇特現象，處於糾纏態的兩個粒子能夠緊密聯繫在一起，且無論距離多遠、都可即時在另一個粒子上得到狀態響應。
（圖自 © jan greune / LMU.de）
這種異常奇特的現象，讓人們懷疑糾纏粒子的信息“傳送”速度超越了光速，乃至愛因斯坦都稱其具有“鬼魅般的超距作用”（spooky action at a distance）。
幾十年來，世界各地的研究人員們一直在通過實驗來證明量子糾纏現象的存在。期間一些科學家試圖利用這種奇異的性質，將之用於快速、長距離的數據傳輸。
研究配圖 – 1：實驗裝置示意圖
在慕尼黑和薩爾大學科學家們攜手開展的這項新研究中，他們打破了兩個原子之間通過光纖進行量子糾纏的距離紀錄。
首先，研究團隊將兩個銣（Rb）原子糾纏在 LMU 校園內兩座不同建築物的光阱中。然後它們被 700 米（2297 英尺）的光纖隔開，再通過額外的線軸延伸到 33 公裡外。
研究配圖 – 2：6 公里光纖長度下的原子糾纏表徵
接着每個原子都被激光脈衝所激發，從而使其發射出與原子發生量子糾纏的光子。之後光子沿着光纜向下發送，並於中間的接收站相遇。
那裡的儀器會對光子展開聯合測量，使之糾纏在一起 —— 由於兩者已經與各自的原子形成了糾纏，所以這兩個原子也繼承了相互糾纏的狀態。
研究配圖 – 3：長光纖鏈路上觀察到的原子糾纏
儘管此前我們已經聽說過在很長遠的距離上實現了糾纏的光子，但這項新研究還是標誌着兩個原子在光纜上實現超長距離糾纏的新紀錄。
通過將這兩個原子當做“量子記憶”節點 —— 關鍵是中間光子被轉換成更長的波長（自然波長為 780 nm）—— 使得它們可以在光纖中傳播得更遠。
研究配圖 – 4：各種鏈路長度下的糾纏保真度
如果只基於自然的波長，狀態通常會在幾公里之後走失。所以在其旅程開始之前，研究團隊讓它們經由一套設備，以轉換成損耗更低的 1517 nm 的波長（接近電信光纜常用的 1550 nm 波長）。
研究人員表示，作為打造實用型量子互聯網的重要一步，此舉可讓通信網絡的速度遠勝於過往、同時具有更高的量子安全性。更棒的是，這套方案還可在現有的光纖基礎設施上運行。
有關這項研究的詳情，已經發表在 2022 年 7 月 6 日出版的《自然》（Nature）期刊上，原標題為《Entangling single atoms over 33 km telecom fibre》。
最後，如果能夠與衛星等技術相結合 —— 此類技術之前也已證明具有將糾纏光子發射到數千公里之外的能力 —— 未來通訊網絡或迎來翻天覆地的改變。