中国科大构建可扩展量子中继的基本模块，实现量子网络研究的重大突破

　　近日，中国迷信技能年夜学潘建伟及其共事正在可扩大量子收集研究方面取患上重年夜冲破。汪野、万雍、张强、潘建伟等与济南量子技能研究院、中国迷信院上海微体系与信息技能研究所、喷鼻港年夜学、清华年夜学等的研究职员互助，构建出可扩大量子中继的基本模块，使患上远间隔量子收集成为实际可能。与此同时，包小辉、徐飞虎、张强、潘建伟等与济南量子技能研究院、新加坡国立年夜学、加拿年夜滑铁卢年夜学等的研究职员互助，完成了单原子节点间的远间隔高保真纠缠，并正在此根蒂根基大将器件有关量子密钥分发（DI-QKD）的传输间隔冲破百千米，极年夜推进了该技能的实用化进程。两项结果划分于北京时间2月3日以及6日颁发于国际权势巨子学术期刊《天然》以及《迷信》。

　　上述冲破是我国正在量子通讯与量子收集范畴继“墨子号”量子卫星之后取患上的又一里程碑式结果，标记着基于量子纠缠的光纤量子收集在从实践构思走向实际可能，进一步扩展了我国正在该范畴的国际当先上风。

　　量子信息迷信的最终成长方针是构建高效、保险的量子收集：哄骗量子紧密丈量完成对信息的高精度感知、哄骗量子通讯完成信息的保险以及高效传输、哄骗量子计较完成信息的指数级加快处置惩罚，从而完成对物资世界认知才能的反动性奔腾。构建量子收集的基本因素是远间隔肯定性量子纠缠分发，基于量子纠缠，不只可以经由过程量子密钥分发完成经典信息的保险传输，还可经由过程量子隐形传态为量子计较机与用户之间量子信息的交互供给独一有用路子。

图1. 量子收集示用意

　　光纤的固有损耗招致量子纠缠的传输效率随间隔成指数衰减，成为构建可扩大量子收集面对的最年夜应战。例如，颠末1000千米尺度光纤间接传输后，光旌旗灯号将衰减至原始强度的10^-20量级（万亿亿分之一），这象征着纵然每一秒发射100亿对纠缠光子，平均每一300年能力吸收到一对纠缠。

　　量子中继方案是解决光纤传输损耗的有用方案：例如，正在1000千米光纤路线中，可以每一隔100千米配置一个中继站点，正在相邻站点之间发生纠缠，再经由过程纠缠互换将各段纠缠毗连起来以完成悠远所在之间的有用纠缠分发。哄骗该方案，用一样发射速度的光源，每一秒可吸收到一亿对纠缠光子，传输效率晋升100亿亿倍。是以，不断以来量子中继是光纤量子收集最重要的研究标的目的。

　　图2. 量子中继道理图。（1）近邻中继节点之间（例如A与B、B与C之间等）经由过程光子干预干与成立纠缠。（2）正在节点B履行纠缠互换，可以正在节点A以及C之间成立纠缠，以此类推。（3）经由过程多级纠缠互换将纠缠间隔逐级扩大，终极正在最远端节点A以及K之间成立纠缠。

　　早正在1998年，潘建伟及其共事就正在国际演出示了量子纠缠的毗连。今后，海内外研究团队取患了一系列重要进展。可是，近30年来始终未能解决的一项重年夜技能难题是：纠缠的寿命远远短于发生纠缠所需的时间，甚至于正在纠缠的存活时间内，与之相邻的纠缠难以肯定性发生，于是无奈完成纠缠的有用毗连，紧张制约了量子中继的可扩大性。

　　针对这一焦点难题，中国科年夜研究团队经由过程成长长命命囚禁离子量子存储器、高效率离子-光子通讯接口及高保真度单光子纠缠和谈，完成长命命量子纠缠，纠缠寿命（550毫秒）显著凌驾纠缠成立所需的时间（450毫秒），从而胜利构建了可扩大量子中继的基本模块，使患上远间隔量子收集成为实际可能。

　　图3. 可扩大量子中继的基本模块道理图。（1）试验由长命命囚禁离子量子贮存器、高效率量子频次转换模块与高比照度单光子干预干与模块构成。（2）纠缠成立速度为2.226赫兹，即等候时间约450毫秒。（3）纠缠寿命约550毫秒。

　　远间隔纠缠分发的一个间接使用是完成实际前提下最高保险等级的量子窃密通讯。以往的量子窃密通讯方案需求对器件参数举行准确标定以保证实际保险性，这凡是会正在现实使用中带来未便。而基于纠缠的“器件有关量子密钥分发（DI-QKD）”方案则冲破了这一限定：纵然量子器件彻底不成信，只需通讯两边可以或许成立起脚够高质量的纠缠并验证无缝隙的贝尔没有等式违反，就能严酷保障密钥分发的保险而无需对器件参数举行准确标定。是以，DI-QKD被量子暗码学的奠定人之1、2018年沃尔夫奖得到者Gilles Brassard誉为“暗码学者千年来所追找的‘圣杯’”。

　　然而，DI-QKD的试验完成面对极其严苛的技能门坎。长途节点间的量子纠缠需求同时餍足如下前提：（1）具有极高的探测效率，以有用封闭探测器效率缝隙；（2）维持极高的纠缠保真度，以确保对贝尔没有等式脚够显著的违反。受限于长间隔光纤损耗及体系噪声等倒霉要素，国际上此前相干试验演示年夜多局限于短间隔规模（凡是为数米至数百米），与现实使用需要存正在显著差距。

　　基于可扩大量子中继技能，中国科年夜研究团队进一步胜利完成了两个铷原子间的远间隔高保真纠缠：正在最长达100千米的光纤链路上，原子节点间长途纠缠保真度仍坚持正在90%以上，显著优于此前国际同类试验成果。正在此根蒂根基上，团队正在城域标准光纤链路上完成了设备有关量子密钥分发：正在11千米光纤链路中实现了基于有限数据量的保险性阐发与严酷证实，传输间隔较以往最佳成果晋升约3000倍；正在100千米光纤链路中演示了密钥天生的可行性，传输间隔较国际此前最佳试验程度晋升两个数目级以上。

　　图4. 百千米DI-QKD试验示用意。两头节点内的单原子经由过程里德堡单光子天生历程发射光子，光子经长间隔光纤传输至中心节点并产生干预干与。正在探测到预告事务后，两头原子被投影到远间隔纠缠态，从而完成纠缠分发。随后两头对原子举行随机基丈量，丈量成果用于贝尔没有等式查验以验证保险性，并正在经由过程查验后对数据举行后处置惩罚天生保险密钥。

　　上述两项研究事情获得国度科技重年夜专项、国度天然迷信基金委、中国迷信院及安徽省、合胖市、山东省、济南市、喷鼻港研究赞助局等的撑持。

　　《天然》论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10177-4

　　《迷信》论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec6243