量子隱形傳態，作為量子信息科學的基石之一，借助量子糾纏和經典通信，能夠將未知量子態從一個位置傳輸到另一個位置，而無需實際傳輸攜帶量子態的粒子。它并非科幻小說中的概念，而是構建量子網絡、實現遠距離糾纏分發以及潛在分布式量子計算的關鍵基礎協議。然而，實現高保真度的量子隱形傳態——即傳送后的量子態能高度精確地復制原始量子態——在實踐中一直是一個重大挑戰。量子隱形傳態的保真度和成功率與糾纏態的質量以及貝爾態測量（Bell State Measurement, BSM）的性能緊密相關。貝爾態測量是一種區分四種最大糾纏貝爾態的量子測量。

光子貝爾態測量的傳統方法主要依賴于線性光學元件，如分束器和移相器。盡管概念簡單，但線性光學BSM面臨著固有的局限性。一個關鍵挑戰是，在不使用輔助光子或后選擇的情況下，僅憑線性光學和兩個探測器無法區分所有四種貝爾態，這使得完整BSM的最大成功概率限制在50%。此外，線性光學BSM對輸入光子的全同性要求極高；它們要求光子在所有屬性（光譜、時間、空間、偏振）上幾乎完全相同，才能表現出必要的干涉效應。在真實的實驗環境中，光子源的不完美性常常導致光子可區分，并引入不必要的噪聲，特別是來自多光子發射事件的噪聲。這些因素降低了貝爾態測量的保真度，進而影響了隱形傳態量子態的保真度。

發表在PRL題為《Faithful Quantum Teleportation via a Nanophotonic Nonlinear Bell State Analyzer》的論文通過提出一種利用集成在納米光子平臺上的非線性光學方法，解決了這些關鍵的局限性。其核心創新在于用基于和頻產生（Sum-Frequency Generation, SFG）的非線性光學BSM取代了傳統的線性光學BSM。和頻產生是一種非線性光學過程，其中兩個不同頻率的光子在非線性介質中結合，產生一個頻率等于兩個輸入光子頻率之和的單個光子。

在BSM中巧妙地利用SFG提供了幾個關鍵優勢。首先，通過精心設計SFG過程的相位匹配條件，該BSM可以對屬于特定貝爾態的兩個單個光子的符合探測變得敏感。至關重要的是，來自不完美光源的多光子事件——這是線性光學BSM中主要的噪聲源——不太可能滿足實現高效SFG的精確條件。這種固有的物理過濾機制顯著抑制了多光子噪聲的有害影響，直接導致更高保真度的貝爾態區分，從而實現更高保真度的量子隱形傳態。

其次，與依賴于需要高度全同光子的干涉效應的線性光學BSM不同，基于SFG的非線性BSM可以與光譜不相同的光子一起工作。SFG過程僅要求輸入光子的頻率滿足相位匹配條件，才能產生和頻光子。這放寬了對光子全同性的嚴格要求，使得該方案對光子源的不完美性更具魯棒性，并且可能允許對編碼在具有不同光譜特性的光子中的量子態進行隱形傳態，這在異構量子網絡中可能是有益的。

為了使非線性SFG過程足夠高效，能夠在單光子水平上工作，研究人員利用了納米光子平臺。納米光子結構，如腔和波導，可以將光限制在極小的體積內，極大地增強了光子與非線性材料之間的相互作用強度。這種強大的光物質相互作用顯著提高了SFG發生的概率，即使在只有少量光子存在的情況下也是如此。該論文特別強調了使用一種高效的納米光子腔設計，與以前的體塊或波導基非線性方法相比，提高了SFG效率。這種提高的效率對于實現一個實用的BSM至關重要，它可以在合理的速率下宣布成功的隱形傳態事件，即使輸入是單光子。

該論文中的實驗演示驗證了這種方法的有效性。研究人員通過使用他們的納米光子非線性貝爾態分析器，成功地演示了時間編碼光子的高保真量子隱形傳態。一個特別值得注意的成就是，在單光子水平上獲得了高達94%以上的保真度。這種高保真度遠遠超過了經典極限，并克服了線性光學BSM在存在真實噪聲時的局限性，突顯了所實現的隱形傳態的“高保真”特性。此外，正如研究所表明的，進行涉及光譜不相同光子的高保真隱形傳態的能力，展示了非線性納米光子BSM的多功能性和魯棒性。

這項工作的意義對量子信息處理領域是巨大的。通過實現對噪聲和光子全同性要求不太敏感的高保真貝爾態測量，這項技術為更復雜的量子協議提供了強大的構建模塊。它可以顯著提升量子中繼器的性能，量子中繼器依賴于糾纏交換（其本身需要高保真BSM）來擴展量子通信網絡的覆蓋范圍。它還為整合不同類型的量子系統開辟了可能性，這些系統可能發射具有不同光譜特性的光子。