Packet-wise multi-hop quantum routing of hybrid quantum-classical packets
本文展示了一种经实验验证的基于光纤的量子路由器，该路由器能够实现混合量子-经典数据包的透明多跳路由，且无需再生经典报头，成功地将基于BB84的量子密钥分发传输至多个接收端，并获得了非零的密钥率。
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想象一个未来，互联网不仅能发送电子邮件和视频，还能承载宇宙中最脆弱的信息：量子数据。这就是量子网络的愿景，旨在连接量子计算机和传感器，使它们能够以当前技术无法比拟的安全性和效能协同工作。在这些网络中，信息以数据包的形式传输，就像我们今天发送的数字信件一样，但有一个关键的区别。标准的互联网数据包是一个坚实的块状数据，而量子数据包则是一个脆弱的混合体。它包含一个用普通光书写的经典地址，告知网络去向何处，以及一个携带信息的单光子流，这些信息一旦被复制或观测就会被破坏。科学家们面临的巨大挑战是建造一种路由器——一种既能读取地址以决定路径，又不会触碰或破坏内部脆弱量子货物的设备。如果路由器观察得太仔细，量子部分的信息就会消失；如果它动作太慢，连接就会失败。
多年来，研究人员一直试图通过让数据包在每一个站点停顿、读取地址，然后重新构建整个包裹再发送出去的方法来解决这个问题。这个被称为“再生”的过程，就像邮递员拆开一封密封的信件，抄写地址，然后为下一段旅程重新封好一个带有新邮票的信封。虽然这种方法可行，但它会引入延迟，并且需要在网络的每个节点都配备复杂的设备。由朴泰荣（Tae Yeong Park）和朴熙洙（Hee Su Park）领导的一支韩国研究团队，现在展示了一种不同的方法。他们制造了一种量子路由器，可以让数据包几乎在不受干扰的情况下通过，仅读取极小部分的地址来进行决策，然后让数据包的其余部分继续前行。他们通过在两个跳跃间向三个不同接收器成功测试了这种方法，这为未来的量子互联网提供了一条更加顺畅、快速的路径。
他们发明的核心是一个将经典地址和量子数据视为在同一根光纤电缆中并肩移动的两个独立旅行者的设备。地址是另一种颜色的光脉冲，而量子数据则以略微不同的颜色传输。当混合数据包到达路由器时，一种被称为光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating）的特殊镜面状设备会起到温和滤波的作用。它将 10% 的经典地址光反射向探测器，使系统能够读取数据包应该前往的何处。剩余 90% 的地址光连同整个量子载荷一起，在不受干扰的情况下直接穿过。一旦探测器读取了地址，它就会向一个光开关（一个快速门控）发送信号，为剩余的数据包开启通往其目的地的正确路径。由于量子数据从未停止也从未被测量，它保持完好，从而保留了用于安全通信的脆弱量子态。
为了证明这一概念在现实场景中可行，该团队在实验室中搭建了一个实验，连接了一个发送器和三个不同的接收器。他们发送了包含量子密钥（用于创建不可破解的加密代码）的数据包，这些数据包通过链条中的两个新型路由器。第一个路由器将数据包导向第一个接收器或第二个路由器。如果数据包进入第二个路由器，该设备会再次读取地址，并将数据包导向第二个或第三个接收器。研究人员使用了一种称为 BB84 协议的特定方法，该协议依赖于光脉冲的定时来编码信息，并加入了额外的“诱骗”信号以确保无人窃听。他们成功地将这些量子密钥交付给了所有三个接收器，即使在数据包经过两个路由器之后也是如此。该系统在单跳连接中生成的密钥速率高达每秒 270 比特，在双跳路由中略低，这证明了量子信息在旅途中得以幸存。
结果表明，这种新型路由器设计效率极高，在信号通过时引入的损耗非常小。系统增加的总延迟极小，且量子数据的错误率保持在足以生成安全密钥的水平。研究人员指出，出现的少量噪声是由经典地址光轻微泄露到量子通道中引起的，他们预计未来可以通过更好的设备来解决这个问题。与以往需要在每站重建数据包的方法不同，这种透明的方法允许网络更容易地扩展。通过简单地级联这些路由器，网络可以潜在地连接更多用户，而不会受到重复信号再生带来的沉重代价。这项工作证明，构建一个动态、多用户的量子网络是可能的，其中信息可以自由且安全地流动，为明天的量子互联网奠定了实践基础。
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