如果你翻开一本量子光学教科书，你很可能会每隔一页就找到一个分光镜，甚至可以称它为量子线性光学教科书。但是，来自南非威特沃特斯兰德大学和西班牙光子科学研究所的一组研究人员刚刚通过非线性光学证明了光模式的量子传输。
这一切都始于一个问题：如果用非线性光学器件替换线性光学器件会发生什么?在隐形传态的情况下，这意味着你不再需要所有额外的光子。仅通过一对纠缠，该团队就创造了一种高维隐形传态方法。
该团队的方法首次表明图像可以在不物理发送图像的情况下通过网络传输，并且克服了传统量子线性光学方法带来的严重局限性。
在他们的实验演示中，研究人员实现了高维态的量子传输，并报告了一种新的最先进的15维 - 仅使用两个纠缠光子作为量子资源，将信息从发送者“传送”到接收者。秘诀是什么?非线性光学探测器无需更多光子，适用于您想要发送的任何图案。也许这里最好的部分是他们的方法可扩展到更高的维度，这为具有高信息容量的量子网络连接打开了大门。
“隐形传态是量子网络的核心要求，但我们从过去在二维态隐形传态方面的经验中知道，增加维度是多么困难，”威茨大学物理学院的杰出教授安德鲁·福布斯说，他还在2015年在那里建立了一个结构光实验室。“二维需要四个计数率非常低的纠缠光子，你需要为每个额外的维度不断添加纠缠光子对——这是不可能的。
该团队使用标准的非线性晶体作为他们的非线性光学器件，他们将其用作探测器的一部分。两个光子进入，结合，并通过上转换过程产生一个新光子。
“大多数纠缠态是由非线性晶体产生的，使用一种称为自发参量下转换的过程，其中一个光子进来，两个光子出去，”福布斯说。“但是我们的非线性晶体探测器的作用恰恰相反——两进一出，所以我们称之为反SPDC。事实证明，反SPDC是精确传送状态所需要的一切。
长距离量子通信是信息安全领域不可或缺的一部分，并且已经通过卫星之间的二维状态进行了演示。与经典的对应物相比，它似乎足够安全，一次发送一个可以包含在 1 和 0 中的位。但量子光学更进一步，使研究人员能够增加字母表，并在一次拍摄中安全地描述更复杂的系统，例如独特的指纹或面部。
该团队的工作为隐形传态或量子传输的全新途径打开了大门，它克服了依赖线性光学的传统方法的巨大挑战，这种方法总是需要更多的光子。
“我们的方法只需要两个纠缠光子，但面临着同样巨大的挑战：要真正实现隐形传态，非线性晶体效率必须显着提高，”福布斯说。我们认为我们的工作是一条令人兴奋的路线，有许多悬而未决的问题和挑战，包括超表面社区为人造材料的非常有效的非线性做出贡献的机会。
他们的工作也让人们关注了究竟什么是真正的瞬移。“争论的焦点是，拥有探测器的爱丽丝是否一定不知道要传送的状态，或者不应该知道它，”福布斯说。“在我们的方法中，她可以知道，但不需要。这真的是瞬移吗?我们认为这是，但有些人不同意。为了安全起见，我们称之为量子传输。一方可以将信息传输给另一方，而无需发送信息。我们认为这对量子网络来说非常酷，非常有价值。
通过光模式向另一个人/方发送信息，而从未实际发送过信息，这一概念非常令人震惊。“假设你想向银行发送指纹，银行向你发送一个没有信息的光子，”福布斯解释道。“你把它与你的指纹重叠，结果是这些信息会立即被传送到银行。任何截获银行光子的人都不会得到任何好处——因为它不包含任何信息。这太神奇了，只有在量子世界中才有可能。
福布斯承认，看到这个实验工作和你想象的一样令人难以置信，尽管他们的方法听起来很简单，但花了数年时间才让它发挥作用。
《福布斯》和ICFO的同事亚当·瓦莱斯都对Wits的博士后研究员Bereneice Sephton表示赞赏，因为他使系统正常工作并进行了关键实验。
对她来说，那是一种怎样的体验?“这真是令人欣喜若狂——我们不得不在实验中途移动实验室，所以到最后，我们已经多次更改、重新更改和重新设计实验设置，”Sephton 说。“因此，当系统给我们提供结果时，这是非常有益的。”
Sephton最酷的部分是什么?“它最终的效果如何，”她说。“在某些情况下，我们探测到的光子非常靠近本底噪声，信息非常出色!我们还将我们的“在路上”结果与理论预测进行了比较，以了解如何增加容量，它非常合适——就像最终将拼图的所有部分放在一起一样。从那时起，向与光子去向相反的方向发送信息确实有悖常理，无论是在原则上还是在实践中，玩弄它都很有趣。
Vallés说，使用“目前可用的技术进行概念验证实验是一段有趣的旅程，我们要感谢Sephton博士的决心和驯服这种实验野兽所需的综合技能。“这是一项真正的实验室努力，她应该受到称赞。
福布斯说，这个实验“无疑是我的团队做过的最困难的实验，而Bereneice在使其发挥作用方面做得非常出色。“从概念上讲，这非常简单，但实施花了数年时间。她是我们这个领域的一颗冉冉升起的新星，看到这样的才华真是太好了。
未来的一个挑战是，非线性晶体效率现在必须大幅提高，才能以传统主义者认为是真正的隐形传态的方式工作。“这是一个大事件，但非常令人兴奋，因为它吸引了量子以外的其他社区——材料和超表面科学家——为我们的全球量子网络做出贡献，”福布斯说。
接下来，研究人员的目标是更高的尺寸 - 他们已经展示了多达15个 - 以及光纤，这“并不容易，但值得做，”福布斯补充道。
