我国量子科技研究取得新突破 量子网络走向现实可能

　　据中国科学技术大学消息，近日，中国科学技术大学潘建伟及其同事在可扩展量子网络研究方面取得重大突破。汪野、万雍、张强、潘建伟等与济南量子技术研究院、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、香港大学、清华大学等的研究人员合作，构建出可扩展量子中继的基本模块，使得远距离量子网络成为现实可能。与此同时，包小辉、徐飞虎、张强、潘建伟等与济南量子技术研究院、新加坡国立大学、加拿大滑铁卢大学等的研究人员合作，实现了单原子节点间的远距离高保真纠缠，并在此基础上将器件无关量子密钥分发（DI-QKD）的传输距离突破百公里，极大推进了该技术的实用化进程。两项成果分别于北京时间2月3日和6日发表于国际权威学术期刊《自然》和《科学》。

　　上述突破是我国在量子通信与量子网络领域继“墨子号”量子卫星之后取得的又一里程碑式成果，标志着基于量子纠缠的光纤量子网络正在从理论构想走向现实可能，进一步扩大了我国在该领域的国际领先优势。

　　量子信息科学的终极发展目标是构建高效、安全的量子网络：利用量子精密测量实现对信息的高精度感知、利用量子通信实现信息的安全和高效传输、利用量子计算实现信息的指数级加速处理，从而实现对物质世界认知能力的革命性飞跃。构建量子网络的基本要素是远距离确定性量子纠缠分发，基于量子纠缠，不仅可以通过量子密钥分发实现经典信息的安全传输，还可通过量子隐形传态为量子计算机与用户之间量子信息的交互提供唯一有效途径。

　　光纤的固有损耗导致量子纠缠的传输效率随距离成指数衰减，成为构建可扩展量子网络面临的最大挑战。例如，经过1000公里标准光纤直接传输后，光信号将衰减至原始强度的10-20量级（万亿亿分之一），这意味着即使每秒发射100亿对纠缠光子，平均每300年才能接收到一对纠缠。

　　量子中继方案是解决光纤传输损耗的有效方案：例如，在1000公里光纤线路中，可以每隔100公里设置一个中继站点，在相邻站点之间产生纠缠，再通过纠缠交换将各段纠缠连接起来以实现遥远地点之间的有效纠缠分发。利用该方案，用同样发射速率的光源，每秒可接收到一亿对纠缠光子，传输效率提升100亿亿倍。因此，一直以来量子中继是光纤量子网络最重要的研究方向。

　　图2. 量子中继原理图。（1）近邻中继节点之间（例如A与B、B与C之间等）通过光子干涉建立纠缠。（2）在节点B执行纠缠交换，可以在节点A和C之间建立纠缠，以此类推。（3）通过多级纠缠交换将纠缠距离逐级扩展，最终在最远端节点A和K之间建立纠缠。

　　早在1998年，潘建伟及其同事就在国际上演示了量子纠缠的连接。此后，国内外研究团队取得了一系列重要进展。但是，近30年来始终未能解决的一项重大技术难题是：纠缠的寿命远远短于产生纠缠所需的时间，以至于在纠缠的存活时间内，与之相邻的纠缠难以确定性产生，因而无法实现纠缠的有效连接，严重制约了量子中继的可扩展性。

　　针对这一核心难题，中国科大研究团队通过发展长寿命囚禁离子量子存储器、高效率离子-光子通信接口及高保真度单光子纠缠协议，实现长寿命量子纠缠，纠缠寿命（550毫秒）显著超过纠缠建立所需的时间（450毫秒），从而成功构建了可扩展量子中继的基本模块，使得远距离量子网络成为现实可能。

　　图3. 可扩展量子中继的基本模块原理图。（1）实验由长寿命囚禁离子量子储存器、高效率量子频率转换模块与高对比度单光子干涉模块组成。（2）纠缠建立速率为2.226赫兹，即等待时间约450毫秒。（3）纠缠寿命约550毫秒。

　　远距离纠缠分发的一个直接应用是实现现实条件下最高安全等级的量子保密通信。以往的量子保密通信方案需要对器件参数进行精确标定以保障现实安全性，这通常会在实际应用中带来不便。而基于纠缠的“器件无关量子密钥分发（DI-QKD）”方案则突破了这一限制：即使量子器件完全不可信，只要通信双方能够建立起足够高品质的纠缠并验证无漏洞的贝尔不等式违背，就能严格保证密钥分发的安全而无需对器件参数进行精确标定。因此，DI-QKD被量子密码学的奠基人之一、2018年沃尔夫奖获得者Gilles Brassard誉为“密码学者千年来所追寻的‘圣杯’”。

　　然而，DI-QKD的实验实现面临极为严苛的技术门槛。远程节点间的量子纠缠需要同时满足以下条件：（1）具备极高的探测效率，以有效关闭探测器效率漏洞；（2）维持极高的纠缠保真度，以确保对贝尔不等式足够显著的违背。受限于长距离光纤损耗及系统噪声等不利因素，国际上此前相关实验演示大多局限于短距离范围（通常为数米至数百米），与实际应用需求存在显著差距。

　　基于可扩展量子中继技术，中国科大研究团队进一步成功实现了两个铷原子间的远距离高保真纠缠：在最长达100公里的光纤链路上，原子节点间远程纠缠保真度仍保持在90%以上，显著优于此前国际同类实验结果。在此基础上，团队在城域尺度光纤链路上实现了设备无关量子密钥分发：在11公里光纤链路中完成了基于有限数据量的安全性分析与严格证明，传输距离较以往最好结果提升约3000倍；在100公里光纤链路中演示了密钥生成的可行性，传输距离较国际此前最好实验水平提升两个数量级以上。

　　图4. 百公里DI-QKD实验示意图。两端节点内的单原子通过里德堡单光子生成过程发射光子，光子经长距离光纤传输至中间节点并发生干涉。在探测到预报事件后，两端原子被投影到远距离纠缠态，从而实现纠缠分发。随后两端对原子进行随机基测量，测量结果用于贝尔不等式检验以验证安全性，并在通过检验后对数据进行后处理生成安全密钥。

　　上述两项研究工作得到国家科技重大专项、国家自然科学基金委、中国科学院及安徽省、合肥市、山东省、济南市、香港研究资助局等的支持。