近日，中國科學技術(shù)大學潘建偉及其同事在可擴展量子網(wǎng)絡(luò)研究方面取得重大突破。汪野、萬雍、張強、潘建偉等與濟南量子技術(shù)研究院、中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、香港大學、清華大學等的研究人員合作，構(gòu)建出可擴展量子中繼的基本模塊，使得遠距離量子網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實可能。與此同時，包小輝、徐飛虎、張強、潘建偉等與濟南量子技術(shù)研究院、新加坡國立大學、加拿大滑鐵盧大學等的研究人員合作，實現(xiàn)了單原子節(jié)點間的遠距離高保真糾纏，并在此基礎(chǔ)上將器件無關(guān)量子密鑰分發(fā)(DI-QKD)的傳輸距離突破百公里，極大推進了該技術(shù)的實用化進程。兩項成果分別于北京時間2月3日和6日發(fā)表于國際權(quán)威學術(shù)期刊《自然》和《科學》。

　　上述突破是我國在量子通信與量子網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域繼“墨子號”量子衛(wèi)星之后取得的又一里程碑式成果，標志著基于量子糾纏的光纖量子網(wǎng)絡(luò)正在從理論構(gòu)想走向現(xiàn)實可能，進一步擴大了我國在該領(lǐng)域的國際領(lǐng)先優(yōu)勢。

　　量子信息科學的終極發(fā)展目標是構(gòu)建高效、安全的量子網(wǎng)絡(luò)：利用量子精密測量實現(xiàn)對信息的高精度感知、利用量子通信實現(xiàn)信息的安全和高效傳輸、利用量子計算實現(xiàn)信息的指數(shù)級加速處理，從而實現(xiàn)對物質(zhì)世界認知能力的革命性飛躍。構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的基本要素是遠距離確定性量子糾纏分發(fā)，基于量子糾纏，不僅可以通過量子密鑰分發(fā)實現(xiàn)經(jīng)典信息的安全傳輸，還可通過量子隱形傳態(tài)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。

圖1. 量子網(wǎng)絡(luò)示意圖

　　光纖的固有損耗導(dǎo)致量子糾纏的傳輸效率隨距離成指數(shù)衰減，成為構(gòu)建可擴展量子網(wǎng)絡(luò)面臨的最大挑戰(zhàn)。例如，經(jīng)過1000公里標準光纖直接傳輸后，光信號將衰減至原始強度的10-20量級(萬億億分之一)，這意味著即使每秒發(fā)射100億對糾纏光子，平均每300年才能接收到一對糾纏。

　　量子中繼方案是解決光纖傳輸損耗的有效方案：例如，在1000公里光纖線路中，可以每隔100公里設(shè)置一個中繼站點，在相鄰站點之間產(chǎn)生糾纏，再通過糾纏交換將各段糾纏連接起來以實現(xiàn)遙遠地點之間的有效糾纏分發(fā)。利用該方案，用同樣發(fā)射速率的光源，每秒可接收到一億對糾纏光子，傳輸效率提升100億億倍。因此，一直以來量子中繼是光纖量子網(wǎng)絡(luò)最重要的研究方向。

圖2. 量子中繼原理圖。(1)近鄰中繼節(jié)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(jié)點B執(zhí)行糾纏交換，可以在節(jié)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(jié)點A和K之間建立糾纏。

　　早在1998年，潘建偉及其同事就在國際上演示了量子糾纏的連接。此后，國內(nèi)外研究團隊取得了一系列重要進展。但是，近30年來始終未能解決的一項重大技術(shù)難題是：糾纏的壽命遠遠短于產(chǎn)生糾纏所需的時間，以至于在糾纏的存活時間內(nèi)，與之相鄰的糾纏難以確定性產(chǎn)生，因而無法實現(xiàn)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，中國科大研究團隊通過發(fā)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(xié)議，實現(xiàn)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(gòu)建了可擴展量子中繼的基本模塊，使得遠距離量子網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實可能。

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(zhuǎn)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。

　　遠距離糾纏分發(fā)的一個直接應(yīng)用是實現(xiàn)現(xiàn)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(shù)進行精確標定以保障現(xiàn)實安全性，這通常會在實際應(yīng)用中帶來不便。而基于糾纏的“器件無關(guān)量子密鑰分發(fā)(DI-QKD)”方案則突破了這一限制：即使量子器件完全不可信，只要通信雙方能夠建立起足夠高品質(zhì)的糾纏并驗證無漏洞的貝爾不等式違背，就能嚴格保證密鑰分發(fā)的安全而無需對器件參數(shù)進行精確標定。因此，DI-QKD被量子密碼學的奠基人之一、2018年沃爾夫獎獲得者Gilles Brassard譽為“密碼學者千年來所追尋的‘圣杯’”。

　　然而，DI-QKD的實驗實現(xiàn)面臨極為嚴苛的技術(shù)門檻。遠程節(jié)點間的量子糾纏需要同時滿足以下條件：(1)具備極高的探測效率，以有效關(guān)閉探測器效率漏洞;(2)維持極高的糾纏保真度，以確保對貝爾不等式足夠顯著的違背。受限于長距離光纖損耗及系統(tǒng)噪聲等不利因素，國際上此前相關(guān)實驗演示大多局限于短距離范圍(通常為數(shù)米至數(shù)百米)，與實際應(yīng)用需求存在顯著差距。

　　基于可擴展量子中繼技術(shù)，中國科大研究團隊進一步成功實現(xiàn)了兩個銣原子間的遠距離高保真糾纏：在最長達100公里的光纖鏈路上，原子節(jié)點間遠程糾纏保真度仍保持在90%以上，顯著優(yōu)于此前國際同類實驗結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，團隊在城域尺度光纖鏈路上實現(xiàn)了設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)：在11公里光纖鏈路中完成了基于有限數(shù)據(jù)量的安全性分析與嚴格證明，傳輸距離較以往最好結(jié)果提升約3000倍;在100公里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(shù)量級以上。

圖4. 百公里DI-QKD實驗示意圖。兩端節(jié)點內(nèi)的單原子通過里德堡單光子生成過程發(fā)射光子，光子經(jīng)長距離光纖傳輸至中間節(jié)點并發(fā)生干涉。在探測到預(yù)報事件后，兩端原子被投影到遠距離糾纏態(tài)，從而實現(xiàn)糾纏分發(fā)。隨后兩端對原子進行隨機基測量，測量結(jié)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(shù)據(jù)進行后處理生成安全密鑰。

　　上述兩項研究工作得到國家科技重大專項、國家自然科學基金委、中國科學院及安徽省、合肥市、山東省、濟南市、香港研究資助局等的支持。