量子網路新突破：哈佛團隊利用「糾纏量子記憶體」實現 1.55 公里長基線干涉測量，開啟量子天文學新紀元
圖靈學院編輯部
2026-3-17
在現代天文學與物理學中，如何提升觀測解析度一直是以光學干涉測量為核心的技術難題。傳統長基線望遠鏡陣列（Long-baseline telescope arrays）雖然能透過合成孔徑提升解析度，但在面對微弱光訊號時，卻受限於根本的量子雜訊與光纖傳輸中的光子損耗。近期，由哈佛大學 Mikhail D. Lukin 教授領導的國際研究團隊在《自然》（Nature）期刊發表了一項里程碑式的研究，成功展示了利用糾纏量子記憶體（Entangled quantum memories）來克服這些局限，實現了非局域性的量子增強光學干涉測量。
傳統干涉儀的瓶頸：損耗與雜訊
光學干涉儀的解析度通常隨其基線（Baseline，即接收器間的距離）增加而提高。然而，增加基線在實際操作上面臨巨大挑戰。在微弱訊號的極限下，最佳觀測方法是直接干涉入射電磁場，但光纖連接會導致訊號隨距離呈指數級衰減。另一種方式是利用局部振盪器（LO）進行測量，但這無法區分真空波動與單光子訊號，導致信噪比（SNR）表現不佳。
量子網路的解方：SiV 色心與糾纏資源
為了突破困境，研究團隊採用了鑽石奈米腔中的矽空位（SiV）色心作為量子網路節點。SiV 系統具有長壽命的自旋量子記憶體、高門運算保真度以及強大的光與物質交互作用。研究的核心思想是利用量子糾纏作為資源，有效地在遠端接收站之間「傳送」電磁場模式的量子態。研究人員將每個 SiV 視為一個二位元暫存器，包含一個電子自旋（通訊比特）與一個 29Si 原子核自旋（記憶比特）。透過這種架構，團隊成功演示了在 1.55 公里光纖基線上的遠端相位感測，這比目前最先進的光學望遠鏡陣列（如 CHARA 陣列）的 330 公尺基線還要長五倍。
關鍵技術創新：預報與模式抹除
這項實驗成功的關鍵在於結合了三項尖端技術：
1. 平行糾纏生成（Parallel Entanglement Generation）： 團隊實現了一種比以往序列方案效率高出 7.5 倍的平行方案，利用 Mach-Zehnder 干涉儀配置，在遠端電子自旋與原子核自旋之間生成糾纏態。
2. 光子模式抹除（Photon Mode Erasure）： 為了保留相位資訊，必須隱藏光子到底來自哪個觀測站的「路徑資訊」（Which-path information）。研究人員透過將訊號與局域相干態光脈衝干涉，成功抹除了模式資訊。
3. 非局域光子預報（Non-local Photon Heralding）： 這是提升靈敏度的重要步驟。透過預先生成的遠端糾纏，系統可以在不破壞相位資訊的情況下，檢測到訊號光子的到達。這能有效地過濾掉真空波動雜訊，從而顯著提升信噪比。
實驗成果：1.55 公里的跨度
實驗結果顯示，在光纖連結長達 1.55 公里的情況下，研究團隊仍能維持核自旋對的 Bell 態保真度（Fidelity）達 0.63 ± 0.03，遠高於古典極限。透過非局域預報技術，相位測量的可見度（Visibility）從未預報時的約 3% 提升到了 9%。這種可見度的增強直接轉化為干涉測量中信噪比尺度的改進，證明了量子增強方法在微弱光環境下的優越性。
未來應用：從深空通訊到系外行星偵測
這項研究不僅是量子網路技術的勝利，更為新一代量子增強光學成像方法鋪平了道路。研究團隊指出，該技術未來可應用於：
- 天文觀測： 建立基線極長的量子望遠鏡陣列，協助偵測系外行星（Exoplanet detection）。
- 精密顯微鏡： 在生物或醫學成像中提升解析度。
- 深空通訊： 提升微弱訊號在跨星際距離傳輸後的恢復能力。
- 基礎物理測試： 例如測試彎曲時空中的量子理論。
結語
哈佛團隊的這項成就展示了量子記憶體輔助干涉儀的可行性，打破了古典光學在長基線與微弱訊號下的瓶頸。隨著未來量子重複器（Quantum repeaters）與多路復用技術（Multiplexing）的成熟，量子網路將不再僅限於通訊，更將成為人類探索宇宙、觀測微觀世界的最強力工具。正如論文所言，這項實驗「建立了一種利用量子設備相干存儲與操縱微弱光學訊號的新方法」，預示著一個量子增強成像時代的到來。
參考來源：
Nature: "Entanglement-assisted non-local optical interferometry in a quantum network" (DOI: 10.1038/s41586-026-10171-w)。
