远距离量子网络，离我们有多“远”？

半月谈记者 戴威 何曦悦

想象两枚骰子，一枚送到北京、一枚送到上海。递送途中，去北京的骰子掷出“6”，去上海的即刻以“1”示人。这种不受距离影响的神奇“互动”，就是量子纠缠——量子世界最奇特的特性之一，也是构建未来量子网络的基石。可量子信号天生脆弱，在光纤中传输会快速衰减。如何让这等“神奇”经得住千里万里的考验，是全球科学家念兹在兹的难题。

近日，中国科学技术大学潘建伟团队在国际权威学术期刊《自然》和《科学》上接连发表两项研究成果，重新点燃科学界对可扩展量子网络研究的热情。沉寂多年的领域，何以重燃希望的光亮，潘建伟团队究竟实现了什么？

量子联网，为何需要“接力”？

为什么要探索量子网络?理由其实很简单。依靠量子纠缠，人类能够实现经典通信难以达到的理论上无条件安全。这个网络还能凭借量子精密测量实现高精度感知，通过量子计算实现信息的指数级加速处理，最终带来人类对物质世界认知能力的革命性飞跃。而构建这一网络的关键，就是让量子纠缠实现远距离高效分发。

理想很美好，现实却充满挑战。量子纠缠的最大弱点，就是极度脆弱。在光纤中传输时，量子信号会因光纤固有损耗不断衰减，传输效率随距离呈指数级下降。一组数据足以说明这种衰减的可怕：经过1000公里标准光纤直接传输后，光信号强度会衰减至原初水准的10的负20次方量级，也就是万亿亿分之一。这意味着，即便每秒发射100亿对纠缠光子，平均每300年才能接收到一对。这样的传输效率，让远距离量子网络成为空谈。

量子网络示意图

有人要问了，像普通光信号那样，沿线建“加油站”放大信号行不行?答案是否定的。常规的信号放大手段会直接破坏量子信号的纠缠态，此路不通。

鉴于此，科学家提出了一个巧妙的解决方案——量子中继。这就像从北京到上海的长途旅程，不追求一次直达，而是拆分成北京到济南、济南到南京、南京到上海多段“短途”，每一段旅程都建立一对独立的量子纠缠。假设北京到济南的一对纠缠粒子是甲和乙，济南到南京的一对是丙和丁，通过济南的量子中继器对乙和丙进行名为“纠缠交换”的操作，原本毫无关联的甲和丁就能随之建立纠缠关联。一段段“接力”，就能让量子纠缠跨越千里。

在短距离的光纤中传输，量子纠缠的损耗小得多了。例如经过100公里标准光纤直接传输后，保留下来的量子信号还有百分之一——这是目前可以接受的效率。不过，科学家很快发现，事情没那么简单……

新突破的关键是什么？

早在1998年，潘建伟及其同事就向国际学界首次演示了量子纠缠的连接。不过，有个难题此后近30年各国科学家都未能破解：纠缠的寿命远远短于建立纠缠所需的时间——在甲乙纠缠的存活时间里，丙丁纠缠根本来不及“出世”，也就无法实现有效连接。这一问题，严重制约了量子中继的可扩展性。

三十年磨一剑。今年问世的最新成果，一大突破就在于，潘建伟团队在国际上首次实现了长寿命量子纠缠——纠缠寿命达到550毫秒，显著超过建立纠缠所需的450毫秒。量子纠缠的“存活时间”足够支撑相邻纠缠的建立与连接，可扩展量子中继的基本模块由此就能搭建起来。这就让世人看到了远距离量子网络“落地”的曙光。

长寿命囚禁离子量子存储器、高效率离子-光子通信接口、高保真度单光子纠缠协议……这些悉心打造的利器，共同保证一份传输效率实现质的飞跃的量子中继方案成为现实：在1000公里光纤线路中每隔100公里设置一个中继站点，通过纠缠交换连接各段纠缠，使用与直接传输相同发射速率的光源，每秒可接收到一亿对纠缠光子，传输效率较直接传输提升了100亿亿倍!

筹划远距离纠缠分发有了底气，一项与之密切相关的重要应用也在潘建伟团队的探索中初露锋芒——现实条件下最高安全等级的量子保密通信，即器件无关量子密钥分发(DI-QKD)。

简而言之，这一突破意味着量子保密通信不必费心精确标定器件参数来保障安全，只消通信双方能建立经过验证的高品质纠缠，就能严格保证密钥分发的安全，国际同行称之为“密码学者千年来所追寻的‘圣杯’”。

依托可扩展量子中继技术，潘建伟团队成功实现了2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，原子节点间的远程纠缠保真度仍保持在90%以上。在此基础上，他们得以在11公里的城域尺度光纤链路上实现器件无关量子密钥分发，传输距离较以往最好结果提升约3000倍;100公里光纤链路中密钥生成也成为可能，传输距离较国际此前最好实验水平提升两个数量级以上。

量子网络离我们有多远？

透过潘建伟团队的最新成果，我们能看到量子网络在日常生活中铺展开来的希望之光吗？

科学界的评价是积极的。可扩展量子中继基本模块的构建，让量子纠缠的远距离“接力”变成了可规模化拓展的技术方案。我们可以构想千公里级乃至更远距离的光纤量子网络的模样；器件无关量子密钥分发传输距离突破百公里，让这一“密码学者千年来所追寻的‘圣杯’”不再囿于实验室的短距离场景，接通城域乃至城际的实际应用有了可能。量子通信网络的关键支撑，正一点点打磨成型。

而且，量子网络的构建，涉及量子存储器、光子接口、量子探测器、光纤传输等多个核心环节，新成果中所提出的长寿命囚禁离子量子存储器等核心技术，将带动相关核心器件的研发及产业化，推动我国量子通信产业从核心技术研发向工程化、实用化迈进。

当然，从实验室的技术突破到实际的量子网络应用，还有很长一段路要走。就像前面提到的，量子信号的脆弱性，使得一切相关应用的大规模普及，都面临一系列高难度挑战。种种日用场景实现“量子迭代”，目前还不能轻言乐观。但是，这也给量子科学界极大的信心。求索量子网络途中一系列看似不可能突破的障碍，或许，会等来手持创新钥匙的通关人。

编辑：范钟秀