中国科学家在可扩展量子网络研究方面取得重大进展

官方微信公众号“中国科学技术大学”2月6日报道，中国科学技术大学潘建伟及其同事近期在可扩展量子网络研究方面取得重大进展。王晔、万勇、张强、潘建伟及其同事与中国科学院济南量子技术研究所、上海微系统与信息技术研究所、香港大学和清华大学的研究人员合作，构建了世界上第一个可扩展的量子中继核心模块，并实现了长距离量子网络。与此同时，包晓辉、徐飞虎、张强、潘建伟等人与济南量子技术研究院、新加坡国立大学和加拿大滑铁卢大学的研究人员合作，实现了三个单独原子节点的高保真、远距离纠缠。因此，传输距离设备无关量子密钥分发（DI-QKD）传输距离首次突破100公里，标志着该技术在实际应用中迈出了重要一步。两项研究结果分别于北京时间2月3日和6日发表在国际著名期刊《自然》和《科学》上。上述突破是继“墨子号”量子卫星之后，我国在量子通信和网络领域取得的又一里程碑。这标志着基于量子纠缠的光纤量子网络正在从理论概念走向现实可能性，进一步扩大我国在该领域的国际领先优势。这是中国科大自2026年起作为《Nature》、《Science》、《Cell》三大国际期刊（CNS）首个签约交流单位公布的第四、第五项成果。可扩展量子网络面临的技术挑战和最终发展量子信息科学的目标是构建高效、安全的量子网络。利用量子精密测量实现高精度信息识别，利用量子通信实现安全。通过量子计算实现信息的高效传输和信息处理的指数级加速，从而实现物理世界认知能力的革命性飞跃。量子网络的基本组成部分是量子纠缠的长程确定性分布。基于量子纠缠，通过量子密钥分发实现经典的安全信息传输。它还提供了在量子计算机和医疗用户之间交换量子信息的唯一有效方式。iante量子隐形传态。 量子网络示意图 由于光纤固有的损耗，量子纠缠的传输效率随距离呈指数衰减，从而形成了构建可扩展的量子网络是一个挑战。例如，光信号在标准光纤上直接传输1000公里后，其原始强度会衰减10到20个数量级（十亿分之一）。这意味着即使每秒发射 100 亿个纠缠光子对，平均每 300 年才会接收到一个纠缠光子对。首次实现可扩展的量子中继基本模块。量子直放站解决方案是解决光纤传输损耗的有效解决方案。例如，在1000公里长的光纤线路上，每隔100公里建立一个中继站点，在相邻站点之间建立交织，并通过交织交换将交织的各段连接起来，实现远程站点之间交织的有效分配。借助此解决方案，您可以使用具有相同发射率的光源每秒接收 1 亿个校正对。通过纠缠光子，传输效率提升100亿倍。因此，量子中继一直是光纤量子网络最重要的研究方向。 量子继电器示意图 1998年，潘建伟和他的同事首先证明了量子纠缠的关系。从那时起，国家和国际研究团队取得了许多重要进展。然而，近30年来仍未解决的一个重大技术问题是，能否实现有效的纠缠连接，并且量子中继的可扩展性受到严重限制，因为纠缠寿命远短于纠缠生成所需的时间，并且很难在纠缠寿命内确定性地生成相邻纠缠。针对这一核心问题，中国科学技术大学研究团队通过研制实现了全球首个长时程量子纠缠。设计了长时捕获离子量子存储器、高效离子-光子通信接口和高保真单光子纠缠协议。纠缠寿命（550毫秒）大大超过了建立纠缠所需的时间（450毫秒），成功构建了可扩展量子中继的基本模块，使量子网络成为现实。 可扩展量子继电器基本模块示意图。与设备无关的量子密钥分发距离首次超过100公里。直接应用远距离纠缠传递可以实现现实条件下最高安全级别的量子保密通信。传统的安全量子通信解决方案需要精确校准设备参数以确保现实世界的安全，这在实际应用中往往不方便。基于纠缠的“设备无关量子密钥分发（DI-QKD）”方案克服了这个限制。即使量子设备不能完全可信，只要通信双方能够建立足够高质量的交织并验证非脆弱的贝尔不等式违规，就可以严格保证密钥分发的安全性，而不需要对设备的parameters.ros进行精确校准。 DI-QKD因此被量子密码学创始人之一、2018年沃尔夫奖得主Gilles Broussard誉为“密码学家几千年来追求的‘圣杯’”。然而，DI-QKD 的实验实施面临着非常严格的技术门槛。远程节点之间的量子纠缠必须同时满足以下条件：（1）具有非常高的检测效率，有效缩小检测效率差距。 (2) 保持非常高的纠缠保真度，以确保贝尔不等式被打破得足够大。受长距离光纤传输等不利因素限制oss和系统噪声、实验演示以往在世界范围内进行的心理测试大多局限于短距离范围（一般为几米到数百米），与现实应用的要求存在较大差距。基于可扩展的量子中继技术，中国科大研究团队还成功实现了两个铷原子之间的高保真、远距离纠缠。在长达100公里的光纤链路中，原子节点之间的长距离纠缠保真度保持在90%以上，超越了国际上此前的同类实验。结果明显优于实验结果。在此基础上，团队首次实现了城域规模光纤链路上设备无关的量子密钥分发。已完成基于11公里光纤链路内有限数据的严格安全分析和认证，传输距离相对较远ng。最好的结果是提高了3000倍左右。密钥生成的可行性已在100公里光纤链路上得到验证，传输距离比迄今为止国际最佳实验水平高出两个数量级以上。 100公里DI-QKD实验示意图。上述两项研究活动均得到国家重大科技项目、国家自然科学基金委员会、中国科学院、安徽省、山东省合肥市、济南市以及香港研究资助局的支持。
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