近日，中國科學技術大學教授潘建偉及其同事在可擴展量子網絡研究方面取得重大突破。他們分別與各相關機構的研究人員合作，在國際上首次構建出可擴展量子中繼的基本模塊，使得遠距離量子網絡成為現實可能﹔實現單原子節點間的遠距離高保真糾纏，並在此基礎上首次將器件無關量子密鑰分發的傳輸距離突破百公裡，極大推進了該技術的實用化進程。日前，兩項成果分別發表於國際學術期刊《自然》和《科學》。

上述突破是我國在量子通信與量子網絡領域繼“墨子號”量子衛星之后取得的又一裡程碑式成果，標志著基於量子糾纏的光纖量子網絡正在從理論構想走向現實可能，進一步擴大了我國在該領域的國際領先優勢。

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。構建量子網絡的基本要素是遠距離確定性量子糾纏分發，基於量子糾纏，不僅可以通過量子密鑰分發實現經典信息的安全傳輸，還可通過量子隱形傳態為量子計算機與用戶之間量子信息的交互提供唯一有效途徑。

量子中繼方案是解決光纖傳輸損耗的有效方案。早在1998年，潘建偉及其同事就在國際上首次演示了量子糾纏的連接。此后，國內外研究團隊取得了一系列重要進展。但是，近30年來科學家始終未能解決的一項重大技術難題是：糾纏的壽命遠遠短於產生糾纏所需的時間，以致在糾纏的存活時間內，與之相鄰的糾纏難以確定性產生，因而無法實現糾纏的有效連接，嚴重制約了量子中繼的可擴展性。

針對這一核心難題，中國科學技術大學研究團隊通過發展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，在國際上首次實現長壽命量子糾纏，糾纏壽命（550毫秒）顯著超過糾纏建立所需的時間（450毫秒），從而成功構建了可擴展量子中繼的基本模塊，使得遠距離量子網絡成為現實可能。

遠距離糾纏分發的一個直接應用，是實現現實條件下最高安全等級的量子保密通信。以往的量子保密通信方案需要對器件參數進行精確標定以保障現實安全性，這通常會在實際應用中帶來不便。而基於糾纏的器件無關量子密鑰分發方案則突破了這一限制。

然而，器件無關量子密鑰分發的實驗實現面臨極為嚴苛的技術門檻。基於可擴展量子中繼技術，中國科學技術大學研究團隊進一步成功實現了兩個銣原子間的遠距離高保真糾纏：在最長達100公裡的光纖鏈路上，原子節點間遠程糾纏保真度仍保持在90%以上，顯著優於此前國際同類實驗結果。

在此基礎上，研究團隊首次在城域尺度光纖鏈路上實現了設備無關量子密鑰分發：在11公裡光纖鏈路中完成了基於有限數據量的安全性分析與嚴格証明，傳輸距離較以往最好結果提升約3000倍﹔在100公裡光纖鏈路中演示了密鑰生成的可行性，傳輸距離較國際此前最好實驗水平提升兩個數量級以上。

●新知解碼

啥是量子中繼

現在，假設你手裡有一對骰子，這對骰子緊緊“糾纏”，無論你怎麼搖，點數總和始終為7。你把這對骰子放在黑盒裡搖勻后，一個送到北京，另一個送到上海，當你在北京擲出骰子，顯示點數為6，這一刻，在上海的那隻骰子已經注定是1。這種“注定”是瞬時的，不受距離影響，這就是被愛因斯坦稱為“遙遠地點之間詭異互動”的量子糾纏。

然而，這種糾纏既確定又脆弱，量子信號跑不了多久就會消失。那我們沿線建起“加油站”行不行呢？快沒信號了就“加加油”，把信號再次放大成完美狀態，讓它繼續跑下一程。這對普通光信號固然有用，但由於量子信號的特殊性，“加了油”就等於毀了它。

於是，科學家們想出了個妙招，讓它們分段糾纏，再連接起來，這就是量子中繼。就像從北京到上海的漫長旅程，被分成從北京到濟南到南京再到上海，每一小段內部都有一對獨立的量子糾纏，比如北京到濟南內部是甲和乙，濟南到南京內部是丙和丁，通過設立在濟南的量子中繼器對乙和丙進行某種操作，本來毫不相干的甲和丁，瞬間成了相互糾纏的一對，以此類推，一段一段接力從北京跑到上海，完成使命。

（記者丁一鳴整理）