中国科学家实现14.5公里远距离量子纠缠新突破

量子通信领域迎来里程碑式突破。中国科学技术大学研究团队在合肥成功构建了名为“星汉二号”的多模式量子中继网络，并实现了相距14.5公里的物质纠缠。这项成果被视作构建未来量子互联网的一项核心基础技术，相关研究论文已于5月7日在线发表于国际顶级学术期刊《自然·光子学》。

理解这一突破的价值，需要先了解量子中继的关键作用。理想的量子互联网依赖于远距离的量子信息传输。然而，量子信号在光纤中传输时会随距离增加而急剧衰减，这成为制约发展的主要瓶颈。量子中继技术正是解决这一难题的关键——它将长距离通信链路分割为多个短程段，通过分段建立并连接物质纠缠态，从而有效克服光纤信道中的指数级损耗。

然而，实用化进程面临挑战。此前主流的量子中继协议主要分为两类：单光子干涉和双光子干涉。前者速率较高，仅需在中间节点探测到单个光子，但对信道相位波动极为敏感，保真度受限；后者保真度优异，但要求同时探测到一对光子，导致传输速率大幅下降。速率与保真度如同“鱼与熊掌”，难以兼得，这一核心矛盾长期制约着量子中继的性能提升与规模化应用。

如何破解这一两难困境？中国科学技术大学郭光灿院士团队的李传锋、周宗权、黄运锋等人提出了原创性解决方案。他们设计了一种基于时间测量的多模式量子中继新方案。该方案的巧妙之处在于，不再要求一对光子必须“同时”抵达中间节点，而是允许它们“先后”到达。通过精确测量两个光子的到达时间差来预报纠缠，并利用多模式量子存储器，实现对具有任意时间延迟的纠缠光子的按需读取。

这一创新方案成功融合了单光子干涉的高速率和双光子干涉的高保真度双重优势，为实现高速率、高保真度的量子纠缠分发奠定了技术基础。尤为重要的是，该方案能够直接兼容现有的光纤网络基础设施，为未来量子网络的规模化部署降低了技术门槛与成本。

“星汉二号”多模式量子中继网络，实现相距14.5公里的物质纠缠。（受访者供图）

基于这一先进方案，研究团队在合肥实地部署并测试了“星汉二号”多模式量子中继网络。实测数据表明，该系统的纠缠保真度达到78.6%，两个量子存储器之间的直线距离为14.5公里。这一成果获得了国际学界的高度评价。《自然·光子学》审稿人指出，该方案有效解决了量子中继协议中长期存在的速率与保真度矛盾，其实现的纠缠分发速率，相比此前城域量子中继方案提升了上百倍。

“星汉二号”多模式量子中继艺术示意图。（受访者供图）

据团队负责人李传锋教授介绍，这项工作实现了目前公开报道中最远距离的物质纠缠。它标志着团队此前发布的“星汉一号”多模式量子中继，已从实验室原理验证阶段，成功推进到真实城市网络环境下的应用示范。这有力证明了，多模式复用技术有望成为构建未来大规模、实用化量子网络的一条根本性技术路径。