中国科学家实现14.5公里远距离量子纠缠新突破

量子通信技术近日取得关键性突破。中国科学技术大学郭光灿院士团队的李传锋、周宗权、黄运锋等研究人员，在合肥成功构建并验证了名为“星汉二号”的多模式量子中继网络。该实验的核心成就在于，在相距14.5公里的两个量子存储器之间，成功建立了高保真度的物质纠缠。这一重要研究成果已于5月7日在线发表于国际权威学术期刊《自然·光子学》。

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量子中继为何是量子通信网络的核心技术？这源于量子信息传输的根本挑战。量子态在光纤信道中传输时，信号损耗会随距离呈指数级增加，严重制约了远距离、高保真量子通信的实现。量子中继技术正是破解这一难题的关键方案。其基本原理是将长距离链路分割为多个短程区段，先在每个区段内建立稳定的量子纠缠连接，再通过“纠缠交换”操作将这些短程纠缠逐级连接起来，最终实现跨越整个长距离的量子信息传递。

然而，量子中继的实用化长期面临两大技术路线的权衡。传统方案主要分为单光子干涉和双光子干涉。单光子干涉方案传输速率较高，但其纠缠质量极易受到光纤信道相位噪声的影响，稳定性不足；双光子干涉方案虽然能获得极高的纠缠保真度，却因需要双光子符合探测而导致效率低下，传输速率成为瓶颈。如何兼顾高效率和高质量，实现速率与保真度的统一，是领域内亟待解决的核心矛盾。

针对这一瓶颈，中科大研究团队创新性地提出了基于时间测量的多模式量子中继方案。该方案的突破性在于，它放弃了对两个光子必须同时到达中继节点的苛刻要求，转而允许光子在不同时间抵达。通过高精度的时间差测量技术实现“纠缠预报”，并结合多模式量子存储器对延时到达的光子进行按需读取与处理。

这一创新设计巧妙地融合了传统两种路线的优势：既保留了单光子干涉方案的高速率潜力，又继承了双光子干涉方案的高保真度特性。同时，该方案对现有光纤通信基础设施具有良好的兼容性，为未来量子中继网络的规模化部署与应用奠定了坚实基础。

为了验证理论，团队在合肥实地构建了“星汉二号”量子中继网络进行实验。测试结果表明，该系统在两个相距14.5公里的量子存储器间实现的纠缠保真度达到78.6%。这一距离创造了目前公开报道的量子存储器间物质纠缠的最远纪录。该成果获得了评审专家的高度认可，认为其有效破解了长期存在的“速率-保真度”权衡难题，其纠缠分发效率相比此前的城域量子中继系统提升了超过百倍。

从实验室环境走向真实城市网络，标志着该技术向实用化迈出了关键一步。李传锋教授表示，“星汉二号”的成功运行，意味着前期在实验室完成的“星汉一号”多模式量子中继原理验证，已正式进入城市复杂环境下的应用示范阶段。可以预见，这种基于时间测量和多模式复用的技术路径，未来有望成为构建大规模、高性能量子通信网络的主流方案之一。