量子网络中借助纠缠的非局域光学干涉仪

以新方式“倾听”星光

天文学家和物理学家不断寻求更清晰的观测手段，从遥远的系外行星到黑洞周围的环境都有所涉及。一个强有力的技巧是将分布在远处的望远镜收集到的光合成在一起，等效地构建出一个更大的“虚拟”望远镜。但当入射光极为微弱时，现有方法会遇到基本的量子极限以及长光纤引入的损耗。本文报道了在实验室中演示的一种新方法：利用量子纠缠的奇异关联，这些纠缠被存储在金刚石缺陷中，用来执行超灵敏、长距离的光学测量，未来有望极大增强望远镜阵列和其他成像系统的能力。

为何将远端望远镜合并如此困难

传统光学干涉通过比较来自远方天体的光波到达两个分离站点的方式来提高分辨率。关键信息是两个站点之间的相位差，它编码了诸如源的视位置和结构等细节。一个经典方法是将光物理性地汇聚到中央的分束器处，这可以获取理想信号，但极易受损耗影响：光纤链路越长，原本就微弱的星光损失越严重。另一种做法是在每个站点只进行本地测量，然后再比对结果。这避免了为信号传输而铺设长光纤，但因为要将珍贵的信号光与强参考本地光混合，便无法区分真实光子与真空波动（即不可避免的量子噪声）。因此测量质量仅随信号强度缓慢提高，弱光条件下性能受到了根本限制。

让量子链路代替信号光“远行”

作者采用的是让纠缠而非脆弱的信号光本身跨越站点。利用金刚石纳米腔中的硅空位中心——这些固态“人工原子”行为类似微小的量子存储芯片——他们首先在两个远端节点之间建立共享的量子态。每个节点同时具有一个快速的“通讯”自旋和一个寿命更长的“存储”自旋，共同作为寄存器。经专门设计的光学干涉仪和弱激光脉冲并行地使两站纠缠，比早期的串行方案显著提高了纠缠率。通过调节光强，他们在成功率和共享量子态的纯度之间取得平衡，达到足以支撑重复探测实验的速率，并可在光纤长度达1.55公里的条件下运行。

在捕获光子时抹去通路信息

一旦纠缠准备就绪，真正的工作始于一枚代表星光的弱信号脉冲到达两个站点时。信号在每个金刚石腔中反射，与局部的量子自旋轻微耦合。挑战在于在避免泄露哪个站点接收了光子的任何线索的同时，保存光子携带的微小相位差。为此，每个站点将外发光与精心制备的本地参考场一同通过分束器。该步骤“抹去”了通路信息：探测器能判断有光子到达但不能知道它来自何处。与此同时，一系列巧妙的本地量子门与测量利用纠缠的自旋执行一种非局域的、非破坏性的光子计数。本质上，网络可以“预示”至少有一个光子在某处到达，同时故意对其来自何处保持无知，然后将相位信息存入远端的存储自旋中。

滤除空的波动

通过仅保留那些被该非局域预示标记为真实光子的试验，协议丢弃了那些被真空噪声主导的实验——即没有任何有用信号到达的情况。作者表明，相位信息最终以两个长寿命存储自旋的联合态编码，并且可以在每个站点局部读出。对比有无该预示步骤的运行，他们发现测得相位信号的能见度明显提高，尤其是在平均光子数远小于一的情形下。他们还展示了这种改进会转化为信噪比随亮度更优的标度，正如量子理论所预测的那样。在将光纤延伸以形成等效基线1.55公里的实验中，他们保持了稳健的纠缠并仍能恢复出相位相关的干涉，表明了量子增强长基线测量的可行性。

这对未来成像意味着什么

对非专业读者而言，关键信息是团队已将量子纠缠变为观察极微弱光学信号的实用工具，适用于大尺度距离。与其将更脆弱的光推送通过更长的光纤，他们选择预先共享量子链路，然后用这些链路滤除空的波动，同时保留稀有光子所携带的有价值信息。尽管目前的装置是在可控实验室中的概念验证，但同样的想法经过更好的量子硬件和中继器改进与扩展，未来有望帮助望远镜阵列更高效地研究系外行星、黑洞或其他微弱目标，也可能有利于深空通信和高级显微成像。简而言之，他们在教量子存储将自己变成协作的“耳朵”来共同倾听光，比任何单一探测器都能更清晰地捕获信号。

引用: Stas, PJ., Wei, YC., Sirotin, M. et al. Entanglement-assisted non-local optical interferometry in a quantum network. Nature 651, 326–332 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10171-w

关键词: 量子干涉术, 纠缠, 光学望远镜, 量子网络, 弱光成像