导读

在量子信息处理领域，实现高效且设计灵活的量子态传输是推动量子密钥分发、量子计算机组件间通信等核心功能的关键。近日，德国罗斯托克大学物理研究所联合汉堡大学光学量子技术中心、汉堡超快成像中心等机构，共同展示了基于隐藏对称光子网络的量子态传输技术成果，为突破传统空间对称性限制的量子网络设计提供了新型解决方案。

研究团队创新性地将“隐藏对称性”（蕴含于网络光谱特性的“隐藏”对称性）与集成光子技术结合，通过紧束缚哈密顿量描述九节点网络结构，利用连续时间量子游走理论分析量子态演化规律。他们通过量化两节点移除后的特征值谱一致性定义隐藏对称位点，结合单态节点实现网络无对称性破坏扩展；在实验中，以飞秒激光写入的波导阵列为平台，在814nm波长下实现隐藏对称位点间75%的量子态传输保真度，并通过双光子反对称激发实验验证量子干涉保留特性，最终达成“近乎完美的量子态传输”。

该研究成果以 “State Transfer in Latent-Symmetric Networks”为题发表于eLight（影响因子32.1，入选两期卓越计划），德国罗斯托克大学的 Jonas Himmel 为论文第一者，Alexander Szameit 为论文通讯作者。

量子态传输作为量子信息处理的核心环节，是实现量子密钥分发、量子计算机组件间通信的基础，其效率与网络设计灵活性直接决定量子系统的实用化进程。传统量子网络设计高度依赖实空间对称性，这类对称性虽能保障量子态高效传输，但严格限制了网络拓扑结构的设计空间，仅能在满足显性对称条件的框架内构建系统，无法根据实际应用场景灵活调整网络布局，极大制约了量子网络的规模化与多样化应用。同时，现有量子态传输技术中，“完美态传输”虽追求保真度为1的理想效果，但需满足极为严苛的网络参数条件，在实验实现中易受环境噪声、硬件误差影响，难以稳定复现；而常规“近似传输”方案又无法保证保真度的可控提升，导致高效与稳定的量子态传输难以兼顾。

此外，现有无显性对称的量子网络研究也存在显著短板：部分方案虽尝试突破空间对称限制，但缺乏对网络内在“隐藏规律”的系统性利用，无法保障量子态传输的可靠性。同时，现有网络扩展技术面临“对称性破坏”瓶颈：当对量子网络进行节点添加或结构修改时，易打破原有的传输平衡，导致传输保真度骤降，无法实现网络的模块化扩展。这些问题共同制约了量子网络向“高灵活性、高可靠性、可扩展性”方向发展，亟需全新的理论框架与实验方案突破困境。

研究团队首先明确了“隐藏对称性”的核心定义，图1揭示其与传统对称性的本质区别。图 1中，实空间对称性有直接视觉特征，动量空间对称性体现在能带结构上，而隐藏对称性无需实空间或动量空间的显性特征，只需满足“移除两个节点后网络特征值谱一致”这一条件。基于此，团队设计了九节点隐藏对称光子网络，以飞秒激光写入的波导阵列为载体，构建均匀耦合系统，确定核心传输节点。该设计打破传统量子网络依赖可见空间对称性的限制，解决了传统网络设计空间窄、难适配集成芯片的问题。

图1：隐藏对称网络

接着，团队进一步优化网络结构与传输机制（图2）。图2a 展示了九节点隐藏对称光子网络的具体布局，明确核心传输节点与单态节点的位置；图 2b 表明单态节点可实现无对称性破坏的任意扩展，为大规模量子网络构建提供新路径；图 2c 则呈现 “近乎完美量子态传输” 机制的数值模拟结果，显示随归一化传输距离增加，保真度呈现峰值递增趋势。这一机制借助相关理论并调控网络特征值，让传输保真度在有限时间内可无限接近1，避开传统 “完美态传输” 对网络参数的严苛要求，仅需满足两项与网络特性相关的条件，解决了传统近似传输保真度难控、完美传输实验难复现的问题。

图2：隐藏对称网络中的量子态传输

最后，研究人员进行了实验验证与方案优化（见图3和图4）。图 3 展示实验观测方案，通过调节传播距离和波长，精准捕捉保真度峰值，观测到首个峰值保真度 75%，还能通过波长调节控制传输过程；图 4 通过双光子反对称激发实验，观测到单态节点处量子干涉受抑制、核心节点定向传输的现象，验证量子干涉在网络中得以保留。这些实验方案解决了传统光子网络实验中量子态难调控、传输过程难观测的问题，为隐藏对称网络的本质提供直接实验证据。

图3：经典态传输的实验观测

图4：反对称输入态的模拟与测量符合矩阵

总结与展望

该研究聚焦量子态传输的关键需求，创新性提出“隐藏对称性”概念，突破传统量子网络依赖实空间对称性的局限。研究设计并实验实现了特定结构的隐藏对称光子网络，通过飞秒激光写入的波导阵列构建系统，以网络能谱特性定义核心传输位点，同时发现可实现无对称破坏扩展的单态节点；提出基于隐藏对称的“近乎完美量子态传输”机制，规避了传统完美态传输对参数的严苛要求，实验中观测到定向量子态传输现象，还通过双光子实验验证了量子干涉在网络中的保留特性，为量子网络设计提供了新路径。

未来可从三方面深化研究：一是依托单态节点的扩展能力，探索大规模隐藏对称量子网络的模块化构建，优化多节点间的传输协同性；二是进一步提升传输保真度，结合更精准的系统参数调控与噪声抑制技术，缩小实验与理论模拟的差距；三是拓展应用场景，如探索其在量子安全传输领域的潜力，或研究隐藏对称与拓扑态的关联以开发新型量子功能系统，同时推进量子节点同步与量子态存储等相关技术的融合。

论文信息

Himmel, J., Ehrhardt, M., Heinrich, M. et al. State transfer in latent-symmetric networks. eLight 6, 3 (2026).

https://doi.org/10.1186/s43593-025-00114-9