【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陳騰云、陸朝陽等與清華大學(xué)馬雄峰合作，基于團(tuán)隊自主研制的高品質(zhì)單光子源，在國際上首次突破此前量子網(wǎng)絡(luò)限于單個中繼節(jié)點(diǎn)的技術(shù)瓶頸，成功構(gòu)建出包含多個量子中繼節(jié)點(diǎn)的可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這一進(jìn)展為量子網(wǎng)絡(luò)從 “單節(jié)點(diǎn)連接” 向 “多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)” 的跨越奠定關(guān)鍵基礎(chǔ)，使更復(fù)雜的多層量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成為可能。這也充分展現(xiàn)了模塊化設(shè)計的靈活性與信號傳輸?shù)母咝?，為未來大?guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的落地提供了堅實(shí)支撐。相關(guān)成果已于 2025 年 8 月 26 日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·物理》(Nature Physics)上。
量子網(wǎng)絡(luò)是量子信息科學(xué)的核心研究方向之一，其目標(biāo)是連接各類量子系統(tǒng)，為未來量子計算、量子密碼學(xué)及量子計量學(xué)等領(lǐng)域提供關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。當(dāng)前，量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)仍較多依賴經(jīng)典中繼節(jié)點(diǎn)——這類節(jié)點(diǎn)無法直接傳輸量子信息，僅能將量子信息轉(zhuǎn)換為經(jīng)典數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，因此網(wǎng)絡(luò)安全性需依賴中間節(jié)點(diǎn)的自身安全性。相比之下，無需復(fù)雜量子操作或設(shè)備的量子中繼(Quantum Relay)利用量子疊加與量子糾纏特性可實(shí)現(xiàn)量子信息的安全高效傳輸，其核心優(yōu)勢在于網(wǎng)絡(luò)的安全性完全獨(dú)立于中繼節(jié)點(diǎn)本身，即便節(jié)點(diǎn)為“不可信節(jié)點(diǎn)”，網(wǎng)絡(luò)的安全性也能得到保障，這可大幅降低節(jié)點(diǎn)的安全性部署與維護(hù)成本。如何將量子網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展至包含多個量子中繼節(jié)點(diǎn)，同時兼顧擴(kuò)展效率、安全性與可靠性，是推進(jìn)量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。
針對這一問題，研究團(tuán)隊提出并實(shí)驗實(shí)現(xiàn)了全新的五節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：在傳統(tǒng)三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，將團(tuán)隊此前研制的高性能量子點(diǎn)單光子源 [Nature Photonics 19, 387 (2025)] 作為核心中繼單元，與兩側(cè)的干涉測量節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作，共同構(gòu)成三個量子中繼節(jié)點(diǎn)(如圖 1 所示)。通過優(yōu)化單光子源與相干光的強(qiáng)度配比及探測時間窗，團(tuán)隊將干涉可見度提升至 90%，確保該五節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能通過干涉測量穩(wěn)定、高效地傳遞量子信息。這一設(shè)計不僅提升了網(wǎng)絡(luò)的安全性與靈活性，還具備模塊化擴(kuò)展?jié)摿?—— 可支持構(gòu)建三層星型網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時能提高單鏈路信噪比；此外，基于半導(dǎo)體芯片的量子點(diǎn)中繼節(jié)點(diǎn)作為不可信節(jié)點(diǎn)使用，大幅降低了網(wǎng)絡(luò)部署成本，增強(qiáng)了實(shí)際應(yīng)用中的適應(yīng)性，為大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的落地提供了可行方案。
圖1 五節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。外側(cè)Alice和Bob為用戶節(jié)點(diǎn)， MA與MB為測量節(jié)點(diǎn)，NS為單光子節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)間以光纖鏈接，其中，MA、MB與NS為量子中繼節(jié)點(diǎn)。
為驗證該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的功能，研究團(tuán)隊采用相位匹配量子密鑰分發(fā)協(xié)議，在總長 300 公里的光纖鏈路中成功實(shí)現(xiàn)了密鑰的安全分發(fā)。這一結(jié)果不僅證實(shí)了該架構(gòu)在長距離量子通信場景中的可行性，也體現(xiàn)了單光子源作為量子中繼核心單元的應(yīng)用潛力，為未來構(gòu)建覆蓋范圍更廣、安全性更高、靈活性更強(qiáng)的量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。
該研究工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、安徽省、上海市和新基石科學(xué)基金會等的支持。鄒密，何玉明，黃溢智，趙軍一為文章的共同第一作者。
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