中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)最新Nature論文

編輯丨王多魚(yú)

排版丨水成文

量子網(wǎng)絡(luò)通過(guò)整合量子通信、量子計(jì)量和分布式量子計(jì)算，有望實(shí)現(xiàn)安全高效的信息傳輸、高分辨率傳感以及指數(shù)級(jí)提升的信息處理速度。實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)的前提是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離確定性糾纏分發(fā)。然而，光纖中光子損耗隨距離呈指數(shù)增長(zhǎng)的特性，阻礙了高效確定性糾纏分發(fā)的實(shí)現(xiàn)。

量子中繼器（Quantum repeater）結(jié)合了糾纏交換、糾纏純化與量子存儲(chǔ)技術(shù)，為突破光纖量子網(wǎng)絡(luò)的這一局限提供了最有前景的解決方案。

2026 年 2 月 2 日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士、張強(qiáng)教授、萬(wàn)雍教授和汪野研究員作為共同通訊作者，在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表了題為：Long-lived remote ion-ion entanglement for scalable quantum repeaters 的研究論文。

該研究首次實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壽命的遠(yuǎn)程離子-離子糾纏，其持續(xù)時(shí)間超過(guò)了糾纏建立的時(shí)間，進(jìn)一步完成了長(zhǎng)距離設(shè)備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)的原理性演示。這項(xiàng)研究為量子中繼器提供了一個(gè)關(guān)鍵的構(gòu)建模塊，標(biāo)志著向可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)邁出了重要一步。

構(gòu)建可擴(kuò)展的量子網(wǎng)絡(luò)，有望實(shí)現(xiàn)安全高效的信息傳輸、高分辨率傳感以及指數(shù)級(jí)提升的信息處理速度。要想實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須先實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的確定性糾纏分發(fā)（即穩(wěn)定、可靠地建立遠(yuǎn)程量子糾纏）。

然而，光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)會(huì)隨距離呈指數(shù)級(jí)衰減，且量子態(tài)非常脆弱，容易因環(huán)境干擾而“退相干”（失去量子特性）。這使得在遠(yuǎn)程量子存儲(chǔ)器之間建立糾纏的速度，趕不上它們退相干的速度。

為了突破上述難題，研究團(tuán)隊(duì)使用了量子中繼器技術(shù)，它結(jié)合了糾纏交換、糾纏純化和量子存儲(chǔ)器，是解決光纖損耗和退相干問(wèn)題最有前景的方案。

在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)在兩個(gè)通過(guò) 10 公里光纖連接的節(jié)點(diǎn)間，實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器糾纏，并且其持續(xù)時(shí)間超過(guò)了建立糾纏所需的平均時(shí)間。這是一個(gè)關(guān)鍵里程碑，意味著糾纏能夠穩(wěn)定存在足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行后續(xù)操作。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)開(kāi)發(fā)長(zhǎng)壽命囚禁離子存儲(chǔ)器、高效電信波段接口及高可見(jiàn)度單光子糾纏方案，成功實(shí)現(xiàn)了 10 公里盤(pán)繞光纖連接的節(jié)點(diǎn)間存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器糾纏，其持續(xù)時(shí)間超過(guò)平均糾纏建立時(shí)間。

這一突破是通過(guò)三項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)的——

• 長(zhǎng)壽命囚禁離子存儲(chǔ)器，能更長(zhǎng)久地保持量子態(tài)；

• 高效電信波段接口（使量子信息能高效地在存儲(chǔ)器（離子）和傳輸介質(zhì)（光纖）間轉(zhuǎn)換；

• 高可見(jiàn)度單光子糾纏協(xié)議，提高了建立糾纏的效率和可靠性。

作為應(yīng)用驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)完成了原理性器件無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)演示：在 10 公里距離完成有限長(zhǎng)效應(yīng)分析，在漸近極限下實(shí)現(xiàn) 101 公里距離的正密鑰率。這兩個(gè)距離指標(biāo)均比以往研究提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。這項(xiàng)研究成果為量子中繼器提供了關(guān)鍵構(gòu)建模塊，標(biāo)志著可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)展邁出重要一步。

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究就像是為未來(lái)的“量子互聯(lián)網(wǎng)”修通了一條更長(zhǎng)的“主干道”，它成功解決了量子信息在長(zhǎng)途傳輸中“建得沒(méi)壞得快”的核心難題，首次在實(shí)用距離上讓遠(yuǎn)程量子存儲(chǔ)器間的糾纏能夠穩(wěn)定維持，并驗(yàn)證了其在超安全通信中的巨大潛力，大大推進(jìn)了此類(lèi)技術(shù)的可行距離。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10177-4