可擴展量子網路研究 陸科學家取得重大突破

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據觀察者網、微信公眾號「中國科學技術大學」2月6日消息，近日，中國科學技術大學潘建偉及其同事在可擴展量子網路研究方面取得重大突破。


汪野、萬雍、張強、潘建偉等與濟南量子技術研究院、中國科學院上海微系統與信息技術研究所、香港大學、清華大學等的研究人員合作，在國際上首次構建出可擴展量子中繼的基本模塊，使得遠距離量子網路成為現實可能。

與此同時，包小輝、徐飛虎、張強、潘建偉等與濟南量子技術研究院、新加坡國立大學、加拿大滑鐵盧大學等的研究人員合作，實現了單原子節點間的遠距離高保真糾纏，並在此基礎上首次將器件無關量子密鑰分發（DI-QKD）的傳輸距離突破百公里，極大推進了該技術的實用化進程。兩項成果分別於北京時間2月3日和6日發表於國際權威學術期刊《自然》和《科學》。

上述突破是中國在量子通信與量子網路領域繼「墨子號」量子衛星之後取得的又一里程碑式成果，標誌著基於量子糾纏的光纖量子網路正在從理論構想走向現實可能，進一步擴大了中國在該領域的國際領先優勢。

這是2026年至今，中國科大以第一署名及通訊單位在《Nature》、《Science》、《Cell》三大國際頂尖刊物(CNS)上發表的第4、第5篇成果。

可擴展量子網路面臨的技術挑戰
量子信息科學的終極發展目標是構建高效、安全的量子網路：利用量子精密測量實現對信息的高精度感知、利用量子通信實現信息的安全和高效傳輸、利用量子計算實現信息的指數級加速處理，從而實現對物質世界認知能力的革命性飛躍。構建量子網路的基本要素是遠距離確定性量子糾纏分發，基於量子糾纏，不僅可以通過量子密鑰分發實現經典信息的安全傳輸，還可通過量子隱形傳態為量子計算機與用戶之間量子信息的交互提供唯一有效途徑。

光纖的固有損耗導致量子糾纏的傳輸效率隨距離成指數衰減，成為構建可擴展量子網路面臨的最大挑戰。例如，經過1000公里標準光纖直接傳輸後，光信號將衰減至原始強度的10-20量級（萬億億分之一），這意味著即使每秒發射100億對糾纏光子，平均每300年才能接收到一對糾纏。

首次實現可擴展量子中繼的基本模塊
量子中繼方案是解決光纖傳輸損耗的有效方案：例如，在1000公里光纖線路中，可以每隔100公里設置一個中繼站點，在相鄰站點之間產生糾纏，再通過糾纏交換將各段糾纏連接起來以實現遙遠地點之間的有效糾纏分發。利用該方案，用同樣發射速率的光源，每秒可接收到一億對糾纏光子，傳輸效率提升100億億倍。因此，一直以來量子中繼是光纖量子網路最重要的研究方向。

早在1998年，潘建偉及其同事就在國際上首次演示了量子糾纏的連接。此後，國內外研究團隊取得了一系列重要進展。但是，近30年來始終未能解決的一項重大技術難題是：糾纏的壽命遠遠短於產生糾纏所需的時間，以至於在糾纏的存活時間內，與之相鄰的糾纏難以確定性產生，因而無法實現糾纏的有效連接，嚴重制約了量子中繼的可擴展性。

針對這一核心難題，中國科大研究團隊通過發展長壽命囚禁離子量子存儲器、高效率離子-光子通信接口及高保真度單光子糾纏協議，在國際上首次實現長壽命量子糾纏，糾纏壽命（550毫秒）顯著超過糾纏建立所需的時間（450毫秒），從而成功構建了可擴展量子中繼的基本模塊，使得遠距離量子網路成為現實可能。

將設備無關量子密鑰分發的距離突破百公里
遠距離糾纏分發的一個直接應用是實現現實條件下最高安全等級的量子保密通信。以往的量子保密通信方案需要對器件參數進行精確標定以保障現實安全性，這通常會在實際應用中帶來不便。而基於糾纏的「器件無關量子密鑰分發（DI-QKD）」方案則突破了這一限制：即使量子器件完全不可信，只要通信雙方能夠建立起足夠高品質的糾纏並驗證無漏洞的貝爾不等式違背，就能嚴格保證密鑰分發的安全而無需對器件參數進行精確標定。因此，DI-QKD被量子密碼學的奠基人之一、2018年沃爾夫獎獲得者Gilles Brassard譽為「密碼學者千年來所追尋的‘聖杯’」。

然而，DI-QKD的實驗實現面臨極為嚴苛的技術門檻。遠程節點間的量子糾纏需要同時滿足以下條件：（1）具備極高的探測效率，以有效關閉探測器效率漏洞；（2）維持極高的糾纏保真度，以確保對貝爾不等式足夠顯著的違背。受限於長距離光纖損耗及系統噪聲等不利因素，國際上此前相關實驗演示大多局限於短距離範圍（通常為數米至數百米），與實際應用需求存在顯著差距。

基於可擴展量子中繼技術，中國科大研究團隊進一步成功實現了兩個銣原子間的遠距離高保真糾纏：在最長達100公里的光纖鏈路上，原子節點間遠程糾纏保真度仍保持在90％以上，顯著優於此前國際同類實驗結果。在此基礎上，團隊首次在城域尺度光纖鏈路上實現了設備無關量子密鑰分發：在11公里光纖鏈路中完成了基於有限數據量的安全性分析與嚴格證明，傳輸距離較以往最好結果提升約3000倍；在100公里光纖鏈路中演示了密鑰生成的可行性，傳輸距離較國際此前最好實驗水平提升兩個數量級以上。

上述兩項研究工作得到大陸國家科技重大專項、國家自然科學基金委、中國科學院及安徽省、合肥市、山東省、濟南市、香港研究資助局等的支持。