中國科大在Science和Nature連發重磅成果！量子通信如何完成“遠距離接力”？

近日，合肥國家實驗室/中國科學技術大學潘建偉及其同事在可擴展量子網絡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，使得遠距離量子網絡成為現實可能。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，并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。兩項成果分別于北京時間2月3日和6日發表于國際權威學術期刊《自然》和《科學》。

▲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絡的實現帶來哪些新的可能性？接下來，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馬拉松比賽，賽程已經進行到了中段，但你在路途中仍沒有找到任何一個補給點。為了完成比賽，你會怎么做？是以越來越慢的速度撐到終點？還是立即在周圍尋找補給站？量子通信領域的研究者同樣面臨著類似的難題，而他們給出的解決方案可以說是“腦洞大開”：既然一個人很難完成這場比賽，那為什么不找更多人來“接力”完成呢？

▲圖2 機器人跑馬拉松可能不需要補給，但需要噴“云南白藥”人工降溫（圖片來源：央視頻）

與馬拉松類似，在長距離光纖網絡中進行量子的糾纏與分發是一項巨大的挑戰。在傳輸距離超過 1000 公里時，由于光纖損耗等限制性因素，即使以 10GHz 的速率發送單個低損耗的通信波段光子，科學家也需要等待數百年，才能在光纖的另一端探測到它。這樣的速度顯然是無法用于信息傳輸的。

傳統的通信技術通過放大器來增強信號，從而克服了這一問題。然而，這一解決方法在安全性更高的量子通信領域卻無法實現：放大器會破壞光子的量子態。而且，由于量子態的“不可克隆性”，未知量子態光子所攜帶的信息也無法被復制。

量子中繼方案的提出原理上解決了這一問題。其基本思想為將一個遠距離的量子信道分為較短的若干子信道；在每個子信道進行量子糾纏分發，并結合量子存儲確定性產生子信道兩端間的量子糾纏態；之后利用量子糾纏交換技術連接每段子信道，并利用糾纏純化技術提升糾纏品質，最終實現在整個遠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展量子通訊方案，如量子密鑰分發、量子態隱形傳輸、分布式量子計算等。

▲圖3 基于量子中繼的遠距離量子糾纏分發原理示意圖

如圖3所示，通過長壽命離子量子存儲器把較長傳輸距離分為損耗較小的短片段。每一個量子存儲器都會發出與之糾纏的光子，當相鄰量子存儲器發出的光子相遇后，用它們進行貝爾態測量（BSM），就可以借助光子使得兩個相鄰量子存儲器之間建立糾纏。

量子存儲器的長壽命特質，允許我們重復嘗試糾纏建立，直到所有兩兩相鄰的存儲器之間都糾纏起來。隨后，可以將類似光子BSM的操作，分步、依此作用在位于同一量子存儲器的兩個離子上，就可以進一步延長距離，最終實現相距最遠的Alice和Bob之間的糾纏建立。

為什么我們需要量子中繼？

2016年，世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”在酒泉衛星發射中心發射，充分驗證了基于衛星實現全球化量子通信的可行性。此后，中國科大研究團隊不斷提升利用“墨子號”科學實驗衛星在遠距離的量子態傳輸方面的研究成果，目前已首次實現橫跨赤道，在地球上相距1200公里兩個地面站之間的量子態遠程傳輸，向構建全球化量子信息處理和量子通信網絡邁出重要一步。

▲圖4 洲際量子保密通信網絡示意圖

基于衛星的遠距離量子通信可以有效延長通信距離，但實現成本較高，需要衛星、大型望遠鏡、接收設備等昂貴組件。而量子中繼作為量子網絡的另一條實現途徑，通過傳統光纖通道和量子中繼器即可以實現遠距離的高速安全通信。

因此，量子存儲器目前是許多實驗室的研究重點，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。

在糾纏壽命方面，現有成果通常以“糾纏相干時間大于平均建立時間”為判據，但這一標準并不能保證糾纏在整個過程中始終存在，即糾纏保真度可能已降至0.5以下，從而無法滿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，但在長距離光纖傳輸中二者會顯著下降，難以同時維持高性能，從而限制了系統滿足實際量子通信協議的能力。

基于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，中國科大團隊在10 km光纖鏈路上成功實現了兩個鈣離子存儲器之間的確定性糾纏，其糾纏存儲時間及相干時間（約550 ms）均大于糾纏平均建立時間（約450 ms），從根本上滿足了量子中繼對多級糾纏交換和糾纏純化的物理要求，為可擴展量子網絡提供了關鍵技術支撐。

基于相似的可擴展量子中繼技術，中國科大團隊成功實現了單個銣原子之間的遠距離高保真糾纏。在最長 100 km 光纖鏈路上，原子節點間的遠程糾纏保真度仍保持在 90% 以上，顯著優于國際同類實驗結果。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 km 光纖鏈路中完成了基于有限數據量的安全性分析與嚴格證明，傳輸距離較此前最佳結果提升約3000 倍；在 100 km 光纖鏈路中演示了密鑰生成的可行性，傳輸距離較國際先前實驗水平提升兩個數量級以上。

量子網絡未來可期

量子網絡能夠以量子比特為媒介，在相距遙遠的量子處理器之間傳輸信息，在用戶與設施之間建立緊密而安全的鏈接。高保真、長壽命、低損耗量子中繼模塊的成功構建，意味著量子通信向長距離、可擴展量子網絡邁出了重要一步。

▲圖5 未來量子網絡示意圖（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.372.6546.1026）

隨著量子衛星、量子中繼等量子網絡的基礎架構不斷升級，量子網絡將逐步實現信息的高精度感知、高速處理、安全傳輸。相信在不久的將來，人們將能夠利用量子網絡訪問強大的量子計算機，讓其運行復雜算法，從而解決各學科應用中的復雜難題；金融機構能在絕對安全的環境中完成隱私數據的計算；而通過連接天文望遠鏡、粒子探測器、原子光鐘等科學設施，人類或將在觀測宇宙、探測微觀世界時擁有前所未有的分辨率與協同能力。

論文鏈接：

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

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