時隔3天，潘建偉院士團隊，再發Science正刊！

首次突破100公里！單原子設備無關量子密鑰分發走向城域網絡

量子密鑰分發（QKD）被認為是未來量子互聯網中最具現實落地前景的核心應用之一。然而，現實世界中的量子設備并非完美無缺，探測效率不足、器件漏洞等問題，始終威脅著量子通信的絕對安全性。為此，科學家提出了“設備無關量子密鑰分發”（DI-QKD）這一終極方案——其安全性不依賴任何對設備內部結構的信任，而是直接由貝爾不等式的違背來保證。

但問題在于，DI-QKD 對系統要求極其苛刻：需要高保真、長距離的糾纏分發，同時還要滿足極高的探測效率。過去，這類實驗往往只能在實驗室尺度、幾米到幾百米的距離上完成，距離真實通信網絡仍相去甚遠。如何將 DI-QKD 推向“城市級”甚至更遠距離，一直是量子通信領域的核心難題。

今日，中國科學技術大學潘建偉院士聯合包小輝教授首次基于單原子量子節點，實現了100 公里光纖距離下的設備無關量子密鑰分發。研究團隊通過引入單光子干涉型糾纏生成方案、Rydberg 原子單光子發射機制以及量子頻率轉換技術，在顯著提升糾纏速率的同時抑制了原子反沖噪聲，實現了高保真、可擴展的遠距離糾纏分發。實驗不僅在 11 公里距離上實現了有限尺寸安全密鑰生成，還在 100 公里尺度上獲得了正的漸近密鑰率，為設備無關量子通信從概念驗證邁向實際應用奠定了關鍵基礎。相關成果以“Device-independent quantum key distribution over 100 km with single atoms”為題發表在《Science》上，Bo-Wei Lu、Chao-Wei Yang和Run-Qi Wang為共同第一作者。值得一提的是，這是潘建偉院士團隊本周的第二篇正刊！

研究團隊首先搭建了一套完整的三節點量子通信系統：兩個相距甚遠的單原子量子節點 Alice 和 Bob，通過長距離光纖連接到中心測量節點 Charlie（圖1a）。在每個量子節點中，單個 87Rb 原子被囚禁在交叉光鑷中，作為可長時間保持相干性的量子存儲器（圖1b）。實驗的關鍵在于，Alice 和 Bob 并不直接交換量子信息，而是各自發射單光子，讓光子在 Charlie 處發生干涉并被探測，從而“宣告式”地產生遠程原子—原子糾纏。隨后，雙方基于本地量子隨機數發生器獨立選擇測量基并讀取原子態，在無需信任任何探測或制備設備內部細節的前提下，完成設備無關量子密鑰分發協議。這種“糾纏先行、測量后置”的整體架構，為 DI-QKD 從實驗室走向真實網絡奠定了系統基礎。

圖1：基于單原子量子節點的 DI-QKD 實驗系統總體架構與關鍵模塊

在單光子干涉型糾纏方案中，光子的相干性和不可區分性至關重要，但對于中性原子而言，光子發射帶來的動量反沖會泄露“路徑信息”，嚴重損害糾纏質量。為此，研究團隊設計了一種基于 Rydberg 態的單光子發射機制（圖2a），將光子生成過程在時間上與激發脈沖分離，并通過共線光學幾何結構顯著抑制原子反沖效應。實驗結果顯示，來自兩個獨立原子節點的單光子能夠產生高對比度的干涉條紋（圖2c），并在 Hong–Ou–Mandel 干涉實驗中展現出接近理想值的不可區分性（圖2d）。這表明，單光子在經歷復雜操控后仍保持了極高的相干純度，為后續高保真、可擴展的遠距離糾纏分發提供了物理基礎。

圖2：Rydberg 單光子發射方案及光子相干性、不可區分性表征

基于上述光子與原子操控方案，研究團隊系統性測試了不同光纖長度下的原子—原子糾纏性能（圖3）。實驗覆蓋了從 11 公里到 100 公里的多個距離區間，通過單光子干涉方案，糾纏事件率隨距離呈線性下降，顯著優于傳統雙光子方案。更關鍵的是，在動態解耦等技術的輔助下，糾纏保真度在 100 公里距離下仍保持在 0.9 以上，全面滿足設備無關量子密鑰分發對糾纏質量的嚴格要求。這一結果意味著，單原子體系不再局限于“短距離高保真”，而是真正具備了支撐城域級量子網絡的能力。

圖3：不同光纖長度下的遠程原子—原子糾纏速率與糾纏保真度

在確認糾纏質量和速率均滿足要求后，研究團隊進一步在 11 公里光纖距離上完整運行了 DI-QKD 協議（圖4）。系統連續穩定運行 624 小時，累計獲得超過 120 萬次糾纏事件，并在此基礎上觀測到顯著的 CHSH 貝爾不等式違背，量子誤碼率始終維持在較低水平。通過熵累積定理進行嚴格分析，實驗在有限數據量條件下仍成功提取出安全密鑰，標志著設備無關量子密鑰分發首次不再停留于“漸近極限”，而是具備了現實可操作的安全輸出能力。

圖4：11 公里距離下設備無關量子密鑰分發的有限尺寸安全性驗證

進一步的分析表明，在 20、50、70 以及 100 公里光纖距離下，系統依然能夠穩定觀測到貝爾不等式違背，并獲得正的漸近安全密鑰率（圖5）。盡管隨著距離增加，糾纏速率和信噪比不可避免地下降，但非定域量子關聯始終清晰存在，從根本上保障了量子通信的安全性。這一結果意味著，設備無關量子密鑰分發已不再是實驗室里的“概念驗證”，而是真正具備向城市級乃至更大規模量子網絡延伸的現實潛力。

圖5：最長 100 公里光纖條件下的貝爾違背與漸近安全密鑰率表現

小結

這項工作首次在百公里尺度上實現了基于單原子的設備無關量子密鑰分發，成功彌合了量子通信從“原理驗證”到“真實網絡應用”之間的關鍵鴻溝。通過在糾纏生成、噪聲抑制和系統穩定性上的一系列創新，研究團隊不僅展示了 DI-QKD 的現實可行性，也為未來的設備無關量子隨機數生成、量子網絡自檢驗以及大規模量子中繼奠定了技術基礎。隨著更低損耗光纖、多節點并行糾纏和原子陣列技術的發展，真正安全、可擴展的量子互聯網，正在從愿景走向現實。