量子點單光子源助力新型量子中繼架構

量子通信與量子網絡是未來信息技術的核心方向，有望在安全通信、分布式計算和精密測量等領域帶來突破。近日，中國科學技術大學潘建偉、陳騰云、陸朝陽等與清華大學馬雄峰合作，基于團隊自主研制的高品質單光子源，成功構建了一種基于高品質單光子源的模塊化、可擴展量子中繼架構。這一成果于8月26日發表在國際頂級學術期刊《Nature Physics》上，為未來量子網絡的實際落地邁出了關鍵一步。

什么是“量子點”？

在半導體中，如果把電子“關”在一個極小的空間中，它們的能級會像原子一樣變得離散，這種“人工原子”就是量子點。當用激光激發時，它會只發出一個光子——這就是量子點單光子源。

▲量子點（QD）分立能級示意圖（左）和本工作使用的基于可調諧開放腔體(右)的量子點示意圖

單光子源在量子通信中有著廣泛的應用前景，因為它能精確控制每個光子的產生與特性，是實現高保真量子信息傳輸的關鍵元件。近年來，中國科大團隊在量子點單光子源方面取得了重要突破，使其不僅具有極高的單光子純度（0.9985）和重復頻率，還能通過參量轉換與光纖通信波長兼容。得益于這些性能，量子點單光子源正成為量子通信網絡，乃至未來量子互聯網中最具潛力的核心器件之一。

什么是“量子中繼”？

量子網絡是量子信息科學的核心研究方向之一，其目標是連接各類量子系統，為未來量子計算、量子密碼學及量子計量學等領域提供關鍵基礎設施。當前，量子網絡的實現仍較多依賴經典中繼節點——這類節點無法直接傳輸量子信息，僅能將量子信息轉換為經典數據進行處理，因此網絡安全性需依賴中間節點的自身安全性。

▲未來量子網絡示意圖

相比之下，無需復雜量子操作或設備的量子中繼（Quantum Relay）利用量子疊加與量子糾纏特性，可實現量子信息的安全高效傳輸。其核心優勢在于網絡的安全性完全獨立于中繼節點本身，即便節點為“不可信節點”，網絡安全仍能得到保障。這大幅降低了節點部署和維護的安全要求。如何將量子網絡擴展至包含多個量子中繼節點，同時兼顧擴展效率、安全性與可靠性，是推進量子網絡發展的關鍵挑戰之一。

▲理想量子中繼工作原理示意圖

這項研究的突破在哪里？

研究團隊設計并實現了一種五節點量子中繼架構：

在兩端的用戶節點（Alice與Bob）之間，加入三個中繼節點——將團隊此前研制的高性能量子點單光子源（Nature Photonics 19, 387 (2025)）作為核心中繼單元，與兩側的干涉測量節點協同工作，共同構成三個可作為“不可信節點”使用的量子中繼節點。

實驗的核心難點在于實現單光子與相干光之間的高質量干涉，而這通常需要考慮兩個方面：一是二者強度不匹配會導致探測信號埋沒在噪聲中；二是探測時間窗過寬，容易引入背景噪聲，降低干涉可見度。此次研究中，團隊通過精確調節單光子源與相干光的強度比例，使兩束光在干涉時達到最佳平衡，并結合高精度時間同步技術嚴格限定探測時間窗，從而顯著減少背景噪聲和探測誤差。得益于這些優化，實驗實現了高達 90% 的干涉可見度，確保該五節點網絡能夠通過干涉測量穩定、高效地傳遞量子信息。

這一結構在300公里光纖鏈路上成功實現了安全密鑰分發，標志著首次將單光子源與相干光的高質量干涉應用于多節點量子通信中。它在提升系統信噪比、擴展通信距離、降低部署成本等方面展現出獨特優勢，并引入了模塊化設計理念，便于未來擴展更復雜的網絡拓撲，如三層星型或多層組網結構。

▲新的中繼結構支持更復雜、多層次的拓撲結構

更重要的是，這項成果為量子網絡從“單節點連接”邁向“多節點組網”奠定了關鍵基礎，讓真正可擴展的量子互聯網架構成為可能。

對未來的意義

量子點單光子源的引入，為量子中繼帶來了前所未有的性能提升和靈活性。未來，研究團隊計劃通過進一步提高光子不可分辨性、降低誤碼率，將通信距離擴展至上千公里。

從長遠看，這一架構不僅可用于量子密鑰分發，也可實現不同量子系統（如離子阱或原子系綜）之間的糾纏連接，為構建全球化的量子互聯網鋪平道路。

參考文獻

1. Zou, M., He, YM., Huang, Y. et al. Realization of an untrusted intermediate relay architecture using a quantum dot single-photon source. Nat. Phys. 21, 1670–1677 (2025).

2. Ding, X., Guo, YP., Xu, MC. et al. High-efficiency single-photon source above the loss-tolerant threshold for efficient linear optical quantum computing. Nat. Photon. 19, 387–391（2024）.

3. Lodahl P, Mahmoodian S, Stobbe S. Interfacing single photons and single quantum dots with photonic nanostructures. Reviews of Modern Physics, Rev. Mod. Phys. 87, 347（2025）.