近日，合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事在可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)研究方面取得重大突破。汪野、萬(wàn)雍、張強(qiáng)、潘建偉等與濟(jì)南量子技術(shù)研究院、中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、香港大學(xué)、清華大學(xué)等的研究人員合作，在國(guó)際上首次構(gòu)建出可擴(kuò)展量子中繼的基本模塊，使得遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)可能。與此同時(shí)，包小輝、徐飛虎、張強(qiáng)、潘建偉等與濟(jì)南量子技術(shù)研究院、新加坡國(guó)立大學(xué)、加拿大滑鐵盧大學(xué)等的研究人員合作，實(shí)現(xiàn)了單原子節(jié)點(diǎn)間的遠(yuǎn)距離高保真糾纏，并在此基礎(chǔ)上首次將器件無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)（DI-QKD）的傳輸距離突破百公里，極大推進(jìn)了該技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。兩項(xiàng)成果分別于北京時(shí)間2月3日和6日發(fā)表于國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》和《科學(xué)》。

▲圖1 DIQKD示意圖

什么是量子中繼？為什么我們需要量子中繼？量子中繼又將為量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)哪些新的可能性？接下來(lái)，小編就將為你一一解答。

什么是量子中繼？

想象你正在參加一場(chǎng)馬拉松比賽，賽程已經(jīng)進(jìn)行到了中段，但你在路途中仍沒(méi)有找到任何一個(gè)補(bǔ)給點(diǎn)。為了完成比賽，你會(huì)怎么做？是以越來(lái)越慢的速度撐到終點(diǎn)？還是立即在周?chē)鷮ふ已a(bǔ)給站？量子通信領(lǐng)域的研究者同樣面臨著類(lèi)似的難題，而他們給出的解決方案可以說(shuō)是“腦洞大開(kāi)”：既然一個(gè)人很難完成這場(chǎng)比賽，那為什么不找更多人來(lái)“接力”完成呢？

▲圖2 機(jī)器人跑馬拉松可能不需要補(bǔ)給，但需要噴“云南白藥”人工降溫（圖片來(lái)源：央視頻）

與馬拉松類(lèi)似，在長(zhǎng)距離光纖網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行量子的糾纏與分發(fā)是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。在傳輸距離超過(guò) 1000 公里時(shí)，由于光纖損耗等限制性因素，即使以 10GHz 的速率發(fā)送單個(gè)低損耗的通信波段光子，科學(xué)家也需要等待數(shù)百年，才能在光纖的另一端探測(cè)到它。這樣的速度顯然是無(wú)法用于信息傳輸?shù)摹?/strong>

傳統(tǒng)的通信技術(shù)通過(guò)放大器來(lái)增強(qiáng)信號(hào)，從而克服了這一問(wèn)題。然而，這一解決方法在安全性更高的量子通信領(lǐng)域卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)：放大器會(huì)破壞光子的量子態(tài)。而且，由于量子態(tài)的“不可克隆性”，未知量子態(tài)光子所攜帶的信息也無(wú)法被復(fù)制。

量子中繼方案的提出原理上解決了這一問(wèn)題。其基本思想為將一個(gè)遠(yuǎn)距離的量子信道分為較短的若干子信道；在每個(gè)子信道進(jìn)行量子糾纏分發(fā)，并結(jié)合量子存儲(chǔ)確定性產(chǎn)生子信道兩端間的量子糾纏態(tài)；之后利用量子糾纏交換技術(shù)連接每段子信道，并利用糾纏純化技術(shù)提升糾纏品質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)在整個(gè)遠(yuǎn)距離信道首尾兩端高效地建立量子糾纏；利用此異地糾纏即可開(kāi)展量子通訊方案，如量子密鑰分發(fā)、量子態(tài)隱形傳輸、分布式量子計(jì)算等。

▲圖3 基于量子中繼的遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)原理示意圖

如圖3所示，通過(guò)長(zhǎng)壽命離子量子存儲(chǔ)器把較長(zhǎng)傳輸距離分為損耗較小的短片段。每一個(gè)量子存儲(chǔ)器都會(huì)發(fā)出與之糾纏的光子，當(dāng)相鄰量子存儲(chǔ)器發(fā)出的光子相遇后，用它們進(jìn)行貝爾態(tài)測(cè)量（BSM），就可以借助光子使得兩個(gè)相鄰量子存儲(chǔ)器之間建立糾纏。

量子存儲(chǔ)器的長(zhǎng)壽命特質(zhì)，允許我們重復(fù)嘗試糾纏建立，直到所有兩兩相鄰的存儲(chǔ)器之間都糾纏起來(lái)。隨后，可以將類(lèi)似光子BSM的操作，分步、依此作用在位于同一量子存儲(chǔ)器的兩個(gè)離子上，就可以進(jìn)一步延長(zhǎng)距離，最終實(shí)現(xiàn)相距最遠(yuǎn)的Alice和Bob之間的糾纏建立。

為什么我們需要量子中繼？

2016年，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，充分驗(yàn)證了基于衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球化量子通信的可行性。此后，中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)不斷提升利用“墨子號(hào)”科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在遠(yuǎn)距離的量子態(tài)傳輸方面的研究成果，目前已首次實(shí)現(xiàn)橫跨赤道，在地球上相距1200公里兩個(gè)地面站之間的量子態(tài)遠(yuǎn)程傳輸，向構(gòu)建全球化量子信息處理和量子通信網(wǎng)絡(luò)邁出重要一步。

▲圖4 洲際量子保密通信網(wǎng)絡(luò)示意圖

基于衛(wèi)星的遠(yuǎn)距離量子通信可以有效延長(zhǎng)通信距離，但實(shí)現(xiàn)成本較高，需要衛(wèi)星、大型望遠(yuǎn)鏡、接收設(shè)備等昂貴組件。而量子中繼作為量子網(wǎng)絡(luò)的另一條實(shí)現(xiàn)途徑，通過(guò)傳統(tǒng)光纖通道和量子中繼器即可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的高速安全通信。

因此，量子存儲(chǔ)器目前是許多實(shí)驗(yàn)室的研究重點(diǎn)，研究方向集中在提升其在糾纏壽命、糾纏保真度、糾纏速率等性能指標(biāo)。

在糾纏壽命方面，現(xiàn)有成果通常以“糾纏相干時(shí)間大于平均建立時(shí)間”為判據(jù)，但這一標(biāo)準(zhǔn)并不能保證糾纏在整個(gè)過(guò)程中始終存在，即糾纏保真度可能已降至0.5以下，從而無(wú)法滿(mǎn)足量子中繼與量子通信的需求。

在糾纏保真度和生成速率方面，雖然短距離條件下均可保持較高水平，但在長(zhǎng)距離光纖傳輸中二者會(huì)顯著下降，難以同時(shí)維持高性能，從而限制了系統(tǒng)滿(mǎn)足實(shí)際量子通信協(xié)議的能力。

基于長(zhǎng)壽命囚禁離子量子存儲(chǔ)器、高效率離子-光子通信接口及高保真度單光子糾纏協(xié)議，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)在10 km光纖鏈路上成功實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)鈣離子存儲(chǔ)器之間的確定性糾纏，其糾纏存儲(chǔ)時(shí)間及相干時(shí)間（約550 ms）均大于糾纏平均建立時(shí)間（約450 ms），從根本上滿(mǎn)足了量子中繼對(duì)多級(jí)糾纏交換和糾纏純化的物理要求，為可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

基于相似的可擴(kuò)展量子中繼技術(shù)，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了單個(gè)銣原子之間的遠(yuǎn)距離高保真糾纏。在最長(zhǎng) 100 km 光纖鏈路上，原子節(jié)點(diǎn)間的遠(yuǎn)程糾纏保真度仍保持在 90% 以上，顯著優(yōu)于國(guó)際同類(lèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)首次在城域尺度光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了設(shè)備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)：在 11 km 光纖鏈路中完成了基于有限數(shù)據(jù)量的安全性分析與嚴(yán)格證明，傳輸距離較此前最佳結(jié)果提升約3000 倍；在 100 km 光纖鏈路中演示了密鑰生成的可行性，傳輸距離較國(guó)際先前實(shí)驗(yàn)水平提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

量子網(wǎng)絡(luò)未來(lái)可期

量子網(wǎng)絡(luò)能夠以量子比特為媒介，在相距遙遠(yuǎn)的量子處理器之間傳輸信息，在用戶(hù)與設(shè)施之間建立緊密而安全的鏈接。高保真、長(zhǎng)壽命、低損耗量子中繼模塊的成功構(gòu)建，意味著量子通信向長(zhǎng)距離、可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)邁出了重要一步。

▲圖5 未來(lái)量子網(wǎng)絡(luò)示意圖（來(lái)源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.372.6546.1026）

隨著量子衛(wèi)星、量子中繼等量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)架構(gòu)不斷升級(jí)，量子網(wǎng)絡(luò)將逐步實(shí)現(xiàn)信息的高精度感知、高速處理、安全傳輸。相信在不久的將來(lái)，人們將能夠利用量子網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，讓其運(yùn)行復(fù)雜算法，從而解決各學(xué)科應(yīng)用中的復(fù)雜難題；金融機(jī)構(gòu)能在絕對(duì)安全的環(huán)境中完成隱私數(shù)據(jù)的計(jì)算；而通過(guò)連接天文望遠(yuǎn)鏡、粒子探測(cè)器、原子光鐘等科學(xué)設(shè)施，人類(lèi)或?qū)⒃谟^測(cè)宇宙、探測(cè)微觀世界時(shí)擁有前所未有的分辨率與協(xié)同能力。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-101774

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec6243