用于远距离量子网络的光纤集成量子频率转换

将脆弱的量子信号变成远程旅行者

今天的互联网通过海底与陆地光纤传输光脉冲，但量子技术所用的脆弱光子并不天然落在这种低损耗的“电信”窗口内。本文展示了如何温和地改变固态量子器件发射的单光子颜色，使其能够在已经连接世界的同类光纤中传输，同时不抹除它们携带的脆弱量子信息。

为什么量子信息需要换色

许多主流量子器件，例如金刚石中的氮空位中心，在可见红光波长处发光，这类光在标准光纤中迅速衰减。电信光纤在红外区被优化，损耗更低，因而适合长距离链路。挑战在于在不扰动每个光子量子态的情况下弥合这一颜色不匹配。量子频率转换提供了这座桥梁，将光子从一种颜色转换到另一种，同时保留其量子特性，但这必须以高效率且极低附加噪声的方式进行。

紧凑的光纤基量子换色器

作者构建了一个完全与光纤集成的量子频率转换系统，使其比笨重的自由空间装置更紧凑、稳定且易于部署。他们从持续的637.2纳米红光开始，将其切成短脉冲并将强度衰减到单光子水平，模拟氮空位中心的发射。这些脉冲与一束强红外泵浦光合并并送入微小的铌酸锂波导——一种类似芯片的结构，能高效混合光场，使红色光子以接近1588.3纳米的电信红外波段输出，适合长距离光纤传输。

保持量子信号的洁净

强泵浦光可通过旁路过程产生不需要的光子，增加背景噪声淹没真实的单光子事件。为抵消这一点，团队使用了一串基于光纤的滤波器，包括密集波分复用器、光纤布拉格光栅和一台超窄可调滤波器。这些元件共同强力削减残余泵浦光和宽带噪声，总体实现超过97分贝的抑制，同时仅牺牲少量目标信号。因此，当泵浦功率调到约1.2瓦时，系统约转换9%的入射光子，同时将泵浦引入的噪声控制在约154计数每秒，根据输入光子速率，信噪比可从12到远超100不等。

测试量子链路在距离下的存活能力

除了原始效率外，关键问题是转换后的光子在经过数十到数百公里光纤后能否仍与其源自旋保持强量子关联。作者建立了一个简单模型，将自旋—光子纠缠质量与测得的信噪比、探测器背景和光纤损耗联系起来。他们表明，较高的信噪比会直接转化为更高的纠缠保真度，且随着距离增加这一点尤为重要。基于他们的实验数值，预测该系统转换的光子在通过100公里标准电信光纤后仍可与原始自旋共享超过52%的保真度，这相比先前噪声更高且硬件不同的工作有显著改进。

这对未来量子网络意味着什么

通过展示一台在现实光子速率下工作的低噪声光纤集成换色器，这项研究指向了利用现有电信基础设施连接远程量子节点的实用路径。该设备以牺牲部分效率为代价换取机械稳定性和使用便利，作者并列出了通过改进入波导耦合和提高氮空位中心有效发射来进一步提升性能的明确途径。对读者而言，关键信息是：在量子硬件与长途光纤链路之间可靠的“适配器”已指日可待，使可扩展的量子网络更接近现实。

引用: Liao, Z., Shen, A., Zhou, L. et al. Fiber-integrated quantum frequency conversion for long-distance quantum networking. npj Quantum Inf 12, 83 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-026-01225-y

关键词: 量子频率转换, 电信光子, 氮空位中心, 光纤网络, 量子纠缠