yyds！中科大常務副校長潘建偉院士團隊3天連發2篇Nature/Science

北京時間2月3日至6日，短短三天時間里，中國科學技術大學潘建偉院士團隊接連在國際頂尖學術期刊《Nature》和《Science》發表兩篇重磅研究論文，分別在可擴展量子中繼和百公里級器件無關量子密鑰分發兩大領域取得突破性進展。兩項成果均為遠距離量子網絡構建與量子通信實用化奠定了里程碑式基礎，進一步鞏固了我國在量子信息科學領域的國際領先地位，標志著基于量子糾纏的光纖量子網絡正從理論構想加速走向現實可能。

量子信息科學的終極發展目標是構建高效、安全的量子網絡，而遠距離確定性量子糾纏分發是實現這一目標的核心要素。光纖的固有損耗導致量子糾纏傳輸效率隨距離呈指數衰減，這一難題長期制約著量子網絡的可擴展性——經過1000公里標準光纖直接傳輸后，光信號衰減將達到萬億億分之一，難以滿足實際應用需求。潘建偉團隊的兩項成果分別從“中繼賦能”和“安全升級”兩個維度，針對性破解了這一領域的關鍵瓶頸，形成了互補支撐的重大突破。

Nature：構建可擴展量子中繼基本模塊，破解糾纏連接核心難題

2月3日，潘建偉團隊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、清華大學等單位合作，以“Long-lived remote ion-ion entanglement for scalable quantum repeaters”為題，在《Nature》發表研究論文，首次構建出可擴展量子中繼的基本模塊，使遠距離量子網絡成為現實可能。

長期以來，量子中繼方案被認為是解決光纖傳輸損耗的有效途徑——通過在長距離光纖線路中設置中繼站點，相鄰站點間產生糾纏后再通過糾纏交換連接，可使1000公里光纖的糾纏分發效率提升100億億倍。但近30年來，一個核心技術難題始終未能突破：量子糾纏的壽命遠遠短于糾纏建立所需的時間，導致相鄰糾纏無法實現有效連接，嚴重制約了量子中繼的可擴展性。

圖1. 量子網絡示意圖

針對這一痛點，研究團隊通過系統性技術創新，發展出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，成功實現了遠程囚禁離子間的長壽命量子糾纏。實驗數據顯示，該糾纏壽命達到550±36毫秒，顯著超過糾纏建立所需的450毫秒，這一差值為糾纏交換、多級連接提供了關鍵的時間窗口，徹底解決了糾纏無法有效連接的難題。

圖2. 量子中繼原理圖。（1）近鄰中繼節點之間（例如A與B、B與C之間等）通過光子干涉建立糾纏。（2）在節點B執行糾纏交換，可以在節點A和C之間建立糾纏，以此類推。（3）通過多級糾纏交換將糾纏距離逐級擴展，最終在最遠端節點A和K之間建立糾纏。

同時，團隊在10公里光纖傳輸場景下，實現了Bell態保真度大于0.90的高保真糾纏分發，充分驗證了該方案在噪聲抑制、信號傳輸等方面的優異性能。為進一步提升方案的實用性，研究團隊還通過自旋回波與動力學解耦技術，有效抑制了囚禁離子的退相干效應，確保糾纏態在傳輸和存儲過程中的穩定性，為后續構建多級量子中繼鏈路提供了可靠保障。該成果的核心價值在于，將量子中繼從“理論可行”推向“物理可實現”，成功構建了可擴展量子中繼的基本模塊，不僅解決了近30年來困擾量子網絡領域的核心瓶頸，更為后續多級量子中繼組網、遠距離量子網絡部署提供了核心技術支撐，是量子網絡研究領域從基礎研究走向應用探索的重大跨越，對推動全球量子互聯網的發展具有里程碑式的意義。

圖3. 可擴展量子中繼的基本模塊原理圖。（1）實驗由長壽命囚禁離子量子儲存器、高效率量子頻率轉換模塊與高對比度單光子干涉模塊組成。（2）糾纏建立速率為2.226赫茲，即等待時間約450毫秒。（3）糾纏壽命約550毫秒。

Science：突破百公里級器件無關量子密鑰分發，邁向實用化安全通信

僅隔三天，2月6日，潘建偉團隊再次發力，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單位合作，以“Device-independent quantum key distribution over 100 km with single atoms”為題，在《Science》發表另一項重磅成果——基于單原子節點，成功實現了100公里光纖鏈路下的器件無關量子密鑰分發（DI-QKD），較國際此前最好實驗水平提升兩個數量級，完成了該技術從“概念驗證”到“實用化”的關鍵跨越。

這一突破刷新了DI-QKD傳輸距離紀錄，破解了其實用化核心障礙，為城域及城際高安全量子通信提供了可行方案，并與《Nature》量子中繼成果互補，共同推動量子網絡構建邁入新階段。

圖4. 百公里DI-QKD實驗示意圖。兩端節點內的單原子通過里德堡單光子生成過程發射光子，光子經長距離光纖傳輸至中間節點并發生干涉。在探測到預報事件后，兩端原子被投影到遠距離糾纏態，從而實現糾纏分發。隨后兩端對原子進行隨機基測量，測量結果用于貝爾不等式檢驗以驗證安全性，并在通過檢驗后對數據進行后處理生成安全密鑰。

編輯、審核：石瑾鵬

版權聲明：本文由“TOP大學來了”綜合自“中國科學技術大學、nature、science等”，文章轉摘只為學術傳播，如涉及侵權問題，請聯系我們，我們將及時修改或刪除。