华东师大把量子隐形传态的通道数一次推到 100:一张 10×10 的图像一次性传完,保真度还超过经典极限
8 月 20 日,《物理评论快报》(Physical Review Letters, PRL) 第 137 卷 080801 期刊发了华东师范大学荆杰泰团队与刘胜帅团队合作的论文 "Hundred-Channel Reconfigurable Quantum Teleportation"(百通道可重构量子隐形传态,DOI: 10.1103/rfz9-3prw)。论文入选 PRL "Editors' Suggestion"(编辑推荐论文),被重点推荐;美国物理学会(APS)旗下的《Physics》杂志当天以 Synopsis 形式做了亮点介绍,标题叫 "Teleporting More Quantum States at Once"(一次性隐形传态更多量子态)。
这件事把量子隐形传态的并发通道数从过去的"一次传一个量子态"换轨到"一次传 100 个独立量子态"——而且是用一张 10×10 的"图像"作为载荷。隐形传态的保真度超过了经典极限。
量子隐形传态这件事听起来像科幻,本质是借助于发送方和接收方预先共享的纠缠光子对,把一个未知量子态从 A 端"瞬时"传到 B 端——中间不需要传输粒子本身。过去三十年,这件实验一直停留在"一次传一个量子态"的水平。要传更复杂的信息(比如一张图像),就要么用多个独立的隐形传态通道串行做,要么用波分复用/时分复用塞进同一个通道——但这两种方式都让接收方需要复杂的解码,也让发送方很难独立操控各个通道。
华东师大这次的方案绕开了复用思路,改用"天然空间可分离"——直接把 100 个独立的量子通道摆在一个 10×10 的光学阵列上,每个通道对应一个"像素"。
怎么做:空间光调制器 + 加权 Gerchberg-Saxton + 无测量全光学前馈
整个实验可以拆成三块。
第一块是"造 100 个独立通道"。研究人员用空间光调制器(SLM)把激光束的横向轮廓调制成 10×10 个不同空间模式组成的网格——这 100 个模式每一个都独立可控,可以拼出任意 10×10 像素的图像。生成这个网格的具体算法是"加权 Gerchberg-Saxton 算法",这是一种迭代式的相位恢复算法,常用于全息图和光学陷阱阵列生成。
第二块是"配 100 对纠缠光子"。每个空间模式对应一个独立的量子通道,每个通道都需要一对纠缠光子作为隐形传态的资源对。研究团队为 100 个通道同时准备了 100 对纠缠光子,这些光子是天然空间可分离的——也就是说,100 个通道彼此独立,不需要波分/时分复用。
第三块是"无测量全光学前馈"。这是这次工作的关键创新点。传统的量子隐形传态需要发送方做一个"贝尔态测量"——也就是把要传输的量子态和手里那半个纠缠光子进行某种联合测量,测量结果会通过经典通道告诉接收方,接收方据此对自己手里的半个纠缠光子做相应的幺正操作,从而"重建"出原始量子态。
华东师大这次的方案完全去掉了这个"测量"步骤,改用全光学前馈——也就是说,所有 100 个通道的隐形传态都是无测量的、纯光学的、同时完成的。这种设计的代价是光学结构更复杂,好处是所有通道可以并行,而且每个通道都是独立可控的。
结果是 100 模式光学阵列 + 一幅 10×10 像素的图像都被成功隐形传态,保真度超过了对应的经典极限。
为什么"超过经典极限"重要
量子隐形传态的"经典极限"是什么?在没有真正共享纠缠光子的情况下,发送方只能以经典方式传输信息,经典保真度上限是 2/3(对单 qubit)或对应通道数的某个上限。隐形传态的保真度超过这个上限,意味着传输过程中真正利用了纠缠,而不是简单地把信息"复制"过去——这是量子隐形传态区别于经典通信的核心标志。
这次论文里 100 个通道的保真度同时超过经典极限,意味着每一个通道都独立展示了"真量子"传输,而不是某些通道串通作弊。
量子互联网什么时候能用上这件事
量子隐形传态是"量子互联网"的物理基础。量子互联网的目标是让量子信息(量子态、纠缠)在网络节点之间安全传输,这一点经典互联网做不到。
但过去十年量子互联网实验的一个核心瓶颈是带宽——每个隐形传态通道只能传一个量子态,要传更复杂的信息就得堆通道、堆时间,堆到最后整张网络的吞吐率不够用。华东师大这次的方案直接把并发通道数从 1 提到 100,而且每个通道都独立可控,这等于把量子隐形传态的吞吐率抬了一个数量级。
短期来看,这件事最有意义的落地场景是"量子图像传输"——比如量子安全图像、量子加密视频、量子安全的多方计算。具体到产业应用,量子密钥分发(QKD)网络目前已经在不少国家落地,但 QKD 网络只能传经典密钥,不能传量子态;隐形传态网络的成熟度还远低于 QKD 网络。百通道隐形传态方案的成熟,会让隐形传态网络在某些特定场景(比如量子安全图像、量子安全多方计算)上变成现实。
更长期来看,这件事对分布式量子计算(把多个小型量子处理器用量子网络连接起来形成一个"量子超级计算机")也是关键——分布式量子计算的核心难点是处理器之间的量子态传输,百通道隐形传态方案提供了高带宽的解决方案。
国际比较:量子隐形传态的赛道
把视野放到国际,会看到几个值得对照的方向。
美国 NIST/IBM 的方向偏量子比特的隐形传态,目标是量子计算内部的纠缠分发;美国 Caltech 团队在 2024-2025 年做过"远程隐形传态",目标是地面-卫星之间的量子态传输;奥地利维也纳大学 Anton Zeilinger 团队(2022 年诺贝尔物理学奖得主)一直做隐形传态,过去几年集中在多模式/多通道方案的探索;日本 NTT 的方向偏光纤隐形传态的中长距离传输。
华东师大这次的方案特点是把"通道数"推到 100,而且每个通道都天然独立、不需要复杂解码。这种"高通道数 + 天然可分离"的设计,某种意义上是把隐形传态从"科学实验装置"换轨到"可扩展通信方案"的关键一步。
三件事决定下一步怎么走
第一,通道数能不能进一步推到 1000、10000。"100 通道"是一个标志性的门槛,但量子互联网真正需要的是更高数量级的并发通道。研究团队在论文里明确指出:"未来,科学家预测,这个设备中的'像素'数量可以显著增加,这将进一步增强量子通信网络的容量。"具体能不能从 100 推到 1000、10000,取决于光学结构能不能继续小型化、光子损耗能不能进一步降低。
第二,传输距离能不能从"桌面级"推到"实用级"。这次实验是桌面级的——所有光学元件都在实验台上,通道之间的"距离"是厘米量级。要变成可用的量子网络,需要把通道距离推到米、公里、甚至卫星-地面。
第三,实用系统的兼容性。这次实验用的是特定波长、特定光学元件、特定纠缠光子对。要把它整合进现有的 QKD 网络、量子计算平台,需要做大量的工程化适配。这是基础研究走向产业化的常见瓶颈。
量子隐形传态到了"实用化的门槛"上
回到当下,2026 年 8 月 20 日这篇 PRL 论文最重要的不是 100 通道这个数字本身,而是它把量子隐形传态从"一次一个"的演示实验,换轨到"一次一批"的实用化方案。这是过去三十年量子隐形传态研究里最实质性的工程化跳变。
这件事的具体应用场景——量子互联网、分布式量子计算、量子安全图像、量子安全多方计算——目前都还在"演示"或"概念验证"阶段。但 100 通道的隐形传态方案,把这些应用场景的"吞吐率瓶颈"撕开了一个口子。下一步是把通道数推到 1000、10000,把传输距离推到米、公里,把工程化兼容性做出来——这条路一旦走通,量子互联网就会从"科学家玩具"换轨到"产业基础设施"。
这件事在中国量子信息领域的位置同样重要:继祖冲之 3.2 号超导量子计算突破、潘建伟团队的"九章四号"光量子计算突破之后,华东师大这次的工作把中国在量子通信方向的国际竞争力再次推到了第一梯队。