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量子網絡背后的基本概念涉及在遠距節點之間分發糾纏態，使量子信息能夠跨越地理距離進行共享和處理。傳統的量子網絡方法已成功展示了成對用戶之間的糾纏分發，但將這些系統擴展以同時支持多個用戶一直面臨巨大挑戰。本研究的關鍵創新在于創建了一個靈活的架構，其中糾纏可以在八個用戶之間進行路由和傳送，這些用戶組織成兩個局域網絡，每個網絡包含四個用戶。

研究團隊開發了一個全域網絡架構，其中兩個獨立的局域網絡通過可編程多端口器件相互連接。在每個局域網絡內，一個糾纏源將量子關聯分發給四個用戶。第一個局域網絡服務標記為A1、A2、B1和B2的用戶，而第二個局域網絡連接標記為G1、G2、H1和H2的用戶。位于這些網絡之間的可編程器件實現了動態重構，允許根據通信需求以各種模式共享糾纏。

圖1：全域網絡架構。面板a顯示兩個局域四用戶網絡如何通過可編程多端口線路連接，面板b顯示多端口器件的設計，面板c至f描繪了不同的糾纏配置，包括局域網絡連接、全域連接、局域-全域混合連接以及通過多路復用糾纏交換實現的大規模連接。

這個量子網絡的核心是一種極具創新性的可編程光學線路構建方法。研究人員沒有遵循傳統的自下而上方法論，將大量個別光學組件組裝成集成光子芯片，而是采用自上而下的策略，利用多模光纖的自然光散射特性。這種方法從根本上改變了關于構建復雜量子光子器件的思維方式。

多模光纖支持光在每個偏振方向上以大約150種不同的空間模式或模態傳播。當光穿過這種光纖時，這些模態以復雜但確定性的方式混合在一起。雖然這種混合看似障礙，但研究人員將其視為機遇。通過仔細表征光纖如何轉換光，并在光纖前后放置可編程相位控制元件，研究團隊創建了一個系統，可以對攜帶多個空間模態的光子實施任意量子操作。

可編程多端口線路由一根30厘米長的漸變折射率多模光纖組成，位于四個可編程相位平面之間。這些相位平面使用空間光調制器實現，這些器件能夠在不同空間位置對光施加不同的相位移。前兩個相位平面控制從兩個獨立輸入端口進入光纖的光，而最后兩個相位平面在光到達檢測系統之前對離開光纖的光進行整形。這種配置使線路能夠同時對兩個獨立光子執行8維量子操作。

圖2：可編程多端口線路的詳細設計。圖中說明多模光纖如何位于四個相位平面P1至P4之間，以及不同空間模態如何通過系統轉換。左側顯示輸入宏像素模式，右側顯示輸出聚焦高斯光斑。圖中還展示了通道1和通道2的變換，以及如何在兩個通道上實現同步貝爾態測量。

設計過程始于使用經典激光光和基于物理的神經網絡算法來表征光纖的傳輸特性。這種表征精確揭示了每個輸入模態在光纖中傳播時如何轉換。掌握這些知識后，研究人員采用逆向設計技術來計算每個可編程平面上所需的特定相位圖案，以實現所需的量子操作。這種波前匹配優化反復調整相位圖案，直到線路以高保真度執行預期的轉換。

多模光纖方法的一個重要優勢是能夠擺脫傳統集成光子線路的平面幾何限制。傳統光子芯片在平坦基板上制造光學組件，限制了線路拓撲結構，使擴展到高維度變得具有挑戰性。多模光纖的體積特性允許訪問光的完整三維空間結構，自然支持高維操作，而無需大量個別組件。此外，將光耦合進出光纖非常直接，避免了自由空間光學鏈路與光子芯片之間接口經常遭遇的效率損失。

網絡架構利用多路復用技術增加容量，允許多對用戶通過獨立通道同時共享糾纏。每個糾纏源在高維空間模態狀態下產生光子對，然后將其細分為多個二維子空間。每個二維子空間或量子比特通道，攜帶可分發給不同用戶對的獨立糾纏。

具體而言，系統在多端口線路的每個輸入端口定義四個空間模態，這些模態被安排成兩個量子比特通道。第一個通道使用模態0和1，而第二個通道使用模態2和3。同樣地，在第二個輸入端口，第一個通道使用模態4和5，第二個通道使用模態6和7。這種組織允許8維線路并行處理兩個獨立的糾纏通道，有效地將網絡容量增加一倍。

系統的可重構性使得僅通過將不同操作編程到多端口器件中，就能實現四種不同的網絡配置。在第一種配置中，糾纏保持在局域網絡內，連接用戶對A1-B1、A2-B2、G1-H1和G2-H2。第二種配置在來自不同局域網絡的用戶之間創建純粹的全域連接，連結A1-G1、A2-G2、B1-H1和B2-H2。第三種配置展示了混合局域-全域連通性，在A1-B1、A2-G1、B2-H1和G2-H2之間建立糾纏。每種配置都是在不對光學設置進行任何物理更改的情況下實現的，僅需要更新空間光調制器上顯示的全息圖案。

圖3：三種不同網絡配置的測量結果。面板a、b、c分別顯示三種配置的雙光子關聯矩陣，每個面板包含在兩個互不偏基中測量的關聯數據。插圖顯示了相應的網絡連接模式。測量結果證明在局域和全域網絡結構中不同用戶組合之間成功實現糾纏路由。

通過在三個互不偏基中進行系統測量來驗證分發糾纏的質量，使研究人員能夠計算與理想最大糾纏態的保真度。在所有測試配置中，測量的保真度均超過76%，遠高于認證真實量子糾纏所需的閾值。這些高保真度結果證明，多模光纖線路可以有效路由糾纏，而不會引入過多的噪聲或退相干。

表1總結了使用8維門在多路復用可編程網絡中共享的最大糾纏態的保真度。對于線路操作ΤI，四個局域用戶對A1B1、A2B2、G1H1和G2H2的保真度分別為86.0%、78.6%、86.3%和79.2%。對于線路操作ΤX，四個全域用戶對A1G1、A2G2、B1H1和B2H2的保真度分別為81.6%、79.2%、81.7%和80.8%。對于線路操作ΤM，混合連接的用戶對A1B1、A2G1、B2H1和G2H2的保真度分別為82.3%、81.2%、76.5%和81.4%。對于線路操作ΤS實現的糾纏交換，遠程用戶對A1H1和A2H2的保真度分別為77.1%和83.2%。

最具挑戰性的展示涉及實現多路復用糾纏交換，這是一種在從未直接共享光子的用戶之間建立糾纏的協議。這種能力對于將量子網絡擴展到長距離是必要的，因為允許通過中間節點中繼糾纏，而無需在所有用戶對之間建立直接量子通道。

在糾纏交換協議中，兩個獨立的源各自產生糾纏光子對。每對中的一個光子被發送到可編程多端口線路，而另一個光子被直接發送到遠程用戶。多端口線路對接收到的兩個光子執行同步貝爾態測量，將其投影到特定的糾纏態上。量子力學確保當這種測量成功時，從未直接互動的兩個遠程用戶彼此糾纏。

研究人員同時在兩個多路復用通道上實施了這個協議，通過糾纏交換連接遠程用戶對A1-H1和A2-H2，條件是中間用戶B1-G1和B2-G2之間成功進行貝爾測量。這需要多端口線路實現特定的8維幺正變換，并行執行兩個獨立的雙光子干涉操作。該變換以精確正確的方式混合空間模態，以在兩個通道上實現貝爾態投影。

表征交換的糾纏需要測量四光子符合，檢測光子在四個不同用戶處的同時到達。由于四光子事件的概率低于雙光子事件，這些測量本身具有挑戰性，但提供了關于遠程用戶之間共享的量子態的完整信息。通過量子態層析成像，研究人員重建了交換態的密度矩陣，發現A1-H1對的保真度為77.1%，A2-H2對的保真度為83.2%。

圖4：通過多路復用糾纏交換創建的兩個糾纏態的重建密度矩陣。面板a顯示用戶對A1H1之間共享的量子比特糾纏態，面板b顯示用戶對A2H2之間共享的量子比特糾纏態。柱狀圖高度代表概率振幅，顏色表示量子相位。透明柱狀圖表示目標最大糾纏態|ΨT?。插圖顯示了糾纏交換協議的網絡配置，證明了在從未直接共享光子的遠程用戶對之間成功實現糾纏分發。

多模光纖線路的穩定性表現卓越，在兩周期間的測量顯示性能一致，無需重新對準或重新校準光纖傳輸特性。這種穩定性僅使用簡單的機械安裝來維持，無需專門的環境隔離。這種穩健性對于實際量子網絡部署很重要，因為設備必須在延長期間可靠運作。

基于光纖的方法與電信基礎設施具有天然兼容性，因為輸出模態可以有效耦合到標準單模光纖或多芯光纖的纖芯。這種兼容性指出了一條將量子網絡與現有光纖通信系統集成的途徑，有可能使量子增強能力能夠添加到傳統網絡中，而無需全新的基礎設施。

展示的架構指向量子網絡未來的幾種有趣可能性。通過增加空間模態的維度并添加更多可編程相位層，線路可以支持更多數量的用戶和更復雜的網絡拓撲。多路復用方法可以擴展到其他光子自由度，例如頻率或時間-能量，進一步增加網絡容量。此外，本文展示的原理可以應用于多模光纖以外的其他復雜散射介質，可能包括特殊設計的光子晶體或其他結構化材料。

這項成就不僅僅是量子網絡工程中的技術里程碑。研究展示了擁抱復雜性而非對抗復雜性如何為具有挑戰性的問題帶來優雅的解決方案。多模光纖內部的隨機散射，最初可能看似不必要的無序，在得到適當表征和控制時，變成了強大的資源。這種與自然物理過程合作而非試圖消除這些過程的理念，可能在量子技術發展的許多領域中證明其價值。

隨著量子網絡繼續從實驗室展示向實用系統演進，本研究展示的靈活且可擴展的架構提供了一條可行的前進路徑。按需重構網絡連通性、多路復用多個糾纏通道以及在遠程用戶之間交換糾纏的能力，提供了未來量子互聯網應用所需的關鍵功能，這些應用范圍從安全通信到分布式量子計算和增強傳感網絡。