清華大學(xué)交叉信息研究院濮云飛和段路明研究組在冷原子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了12公里光纖長度上多模式增強(qiáng)的預(yù)報(bào)式原子—光子糾纏。其工作創(chuàng)造了多項(xiàng)城際（gt;10公里）量子互聯(lián)網(wǎng)的世界紀(jì)錄。

12公里量子中繼節(jié)點(diǎn)

刷新多項(xiàng)世界紀(jì)錄

日前，清華大學(xué)交叉信息研究院濮云飛和段路明研究組，在冷原子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了12公里光纖長度上多模式增強(qiáng)的預(yù)報(bào)式原子—光子糾纏。其工作創(chuàng)造了多項(xiàng)城際（gt;10公里）量子互聯(lián)網(wǎng)的世界紀(jì)錄，包括城際距離上的原子—光子糾纏產(chǎn)生速率達(dá)到1.95kHz，城際距離上原子—光子糾纏產(chǎn)生速率和量子存儲(chǔ)器退相干速率的比值達(dá)到0.46（信道效率），糾纏效率通過多模復(fù)用的增強(qiáng)倍數(shù)達(dá)到140倍（280模式）。

特別值得關(guān)注的是，當(dāng)未來使用兩個(gè)此種量子中繼節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)雙節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，信道效率可達(dá)到0.92，接近于信道效率大于1的擴(kuò)展閾值。

目前，該成果論文以“Fast"delivery"of"heralded"atom-photon"quantum"correlation"over"12km"fiber"through"multiplexing"enhancement”為題，于2024年11月27日在Nature"Communications（《自然·通訊》）雜志在線發(fā)表。

量子網(wǎng)絡(luò)和量子中繼是未來實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模量子計(jì)算、洲際量子通訊、全球量子互聯(lián)網(wǎng)、超高精度量子精密測量的必經(jīng)之路。

量子網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)展的難點(diǎn)在于，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通過光子干涉產(chǎn)生預(yù)報(bào)式糾纏所消耗的時(shí)間必須小于量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的相干時(shí)間（即“信道效率”大于1），在這種情況下量子網(wǎng)絡(luò)才能通過糾纏交換的方法實(shí)現(xiàn)規(guī)模擴(kuò)展，以及有效利用多對(duì)（大于等于2）遠(yuǎn)距離量子糾纏。因此，信道效率大于1是量子網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的條件。

目前，信道效率大于1只能在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模（光纖長度約為10m）的量子網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)。對(duì)于城際規(guī)模（光纖長度大于10公里）的量子網(wǎng)絡(luò)，由于光在光纖中的傳播時(shí)間限制，單次糾纏嘗試所消耗的時(shí)間很長（約為百微秒量級(jí)）。因此而導(dǎo)致的低實(shí)驗(yàn)重復(fù)率極大地限制了遠(yuǎn)距離糾纏的產(chǎn)生速率，所以目前全世界已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的城際距離量子網(wǎng)絡(luò)最高的信道效率也小于0.01。

在本工作中，濮云飛、段路明研究組通過對(duì)總共280個(gè)DLCZ量子存儲(chǔ)器模式（70個(gè)獨(dú)立可尋址的存儲(chǔ)單元和4個(gè)不同的角度模式）的時(shí)分復(fù)用，將12公里的長光纖全部填滿。在這種情況下，單次糾纏嘗試所需要的時(shí)間從120微秒降低到850納秒，將實(shí)驗(yàn)重復(fù)率提高了140倍，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程原子—光子量子糾纏的超快分發(fā)。信道效率達(dá)到目前世界最佳的0.46。同時(shí)這也是城際量子網(wǎng)絡(luò)信道效率首次達(dá)到接近于1這個(gè)量級(jí)的里程碑。

未來如果通過單光子糾纏的方式連接兩個(gè)這種量子中繼節(jié)點(diǎn)，可以達(dá)到0.92的信道效率，將有望達(dá)到城際量子網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展閾值，使未來的多節(jié)點(diǎn)（gt;2）量子中繼和量子網(wǎng)絡(luò)成為可能。

此外，濮云飛、段路明研究組還通過對(duì)光子收集信號(hào)返回時(shí)間的反饋，可以準(zhǔn)確定位出已產(chǎn)生糾纏的存儲(chǔ)器地址和角度模式，并且可以在任意想要的時(shí)刻對(duì)已產(chǎn)生糾纏的存儲(chǔ)器模式進(jìn)行讀出操作。這種按需讀取的能力也是未來量子中繼的必備功能，且因?yàn)殡y度較高，此前的實(shí)驗(yàn)很少能夠?qū)崿F(xiàn)。

量子中繼器實(shí)用化邁出關(guān)鍵一步

一直以來，量子互聯(lián)網(wǎng)都被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)量子信息處理的圣杯，有望在全球范圍內(nèi)部署各種量子技術(shù)和協(xié)議。然而，在量子互聯(lián)網(wǎng)成為現(xiàn)實(shí)之前，仍有許多挑戰(zhàn)需要應(yīng)對(duì)。

其中最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)之一可能是實(shí)現(xiàn)量子中繼器，它是量子信息隱形傳態(tài)的重要組成部分。量子中繼器類似于經(jīng)典的中繼器、擴(kuò)展器或增壓器，其作用是克服量子網(wǎng)絡(luò)中量子信道的損耗和噪聲。

光子在光纖中傳播時(shí)的指數(shù)級(jí)衰減是長程量子通訊和大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)過程中面臨的主要問題，而量子中繼協(xié)議是解決光纖傳播損耗的最佳方案。

多年來，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組一直深耕量子信息領(lǐng)域相關(guān)課題研究。2001年段路明與合作者提出著名的DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller）量子中繼方案，利用原子量子存儲(chǔ)器和單光子信道的結(jié)合，克服光量子信號(hào)在光纖中的指數(shù)衰減問題，之后持續(xù)成為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。

經(jīng)過世界各國研究團(tuán)隊(duì)近20年的努力，DLCZ量子中繼協(xié)議的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)在許多方面已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，例如如何在一個(gè)小的中繼模塊中產(chǎn)生量子糾纏的技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。但是作為量子中繼協(xié)議中關(guān)鍵的步驟，即如何將小規(guī)模的中繼模塊通過量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)，與鄰近的中繼模塊高效地連接成為一個(gè)更大的中繼模塊從而擴(kuò)大量子糾纏在空間中的分布，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)技術(shù)方面存在的困難，一直尚未實(shí)現(xiàn)。

2021年，段路明研究組首次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了量子中繼協(xié)議中的兩個(gè)中繼模塊間的高效糾纏連接，成功展示了量子中繼模塊連接效率的規(guī)?；嵘?，這是實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的量子中繼器的一個(gè)關(guān)鍵步驟，也是量子信息領(lǐng)域的重要進(jìn)展。

在此項(xiàng)工作中，研究人員通過將超低溫銣原子氣體囚禁在一維光晶格中，通過光學(xué)泵浦將原子制備在對(duì)磁場變化不敏感的鐘態(tài)，并且精確調(diào)控施加在原子所在位置的磁場，成功將冷原子量子中繼的相干時(shí)間提升至數(shù)十毫秒量級(jí)并能保證讀取的量子態(tài)具有很高的保真度。

此外，結(jié)合實(shí)時(shí)反饋的高速控制系統(tǒng)，通過將先產(chǎn)生量子糾纏的中繼模塊存儲(chǔ)至相鄰中繼模塊也產(chǎn)生量子糾纏之時(shí)，實(shí)現(xiàn)了相鄰兩個(gè)量子中繼模塊內(nèi)部的量子糾纏的異步制備。最后在兩個(gè)模塊之間通過糾纏交換，實(shí)現(xiàn)量子中繼模塊的高效糾纏連接。通過這種方式進(jìn)行糾纏連接，其連接效率線性正比于單個(gè)模塊內(nèi)部糾纏制備所需要的時(shí)間，與之前研究中未使用量子存儲(chǔ)的同步制備兩個(gè)中繼模塊內(nèi)部的量子糾纏所需要的二次方時(shí)間相比，改變了連接效率在規(guī)?；系膹?fù)雜度；單個(gè)量子中繼模塊內(nèi)部糾纏制備概率為0.1%時(shí)，該工作能提高兩個(gè)量子中繼模塊糾纏連接的效率353倍。當(dāng)未來量子中繼模塊從兩個(gè)擴(kuò)展到N個(gè)時(shí)，這種效率提升對(duì)應(yīng)了量子中繼器對(duì)直接傳輸量子通訊在量子糾纏分發(fā)效率上的指數(shù)級(jí)提升。

因此該工作通過使用量子存儲(chǔ)，首次實(shí)現(xiàn)了不同量子中繼模塊的按需式糾纏連接，且連接效率得以規(guī)?；嵘宫F(xiàn)了量子中繼器對(duì)長程量子通信的核心加速能力。

中國量子技術(shù)已實(shí)現(xiàn)部分領(lǐng)跑

新興產(chǎn)業(yè)與未來產(chǎn)業(yè)代表科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的方向，量子技術(shù)就是其中之一。2024年政府工作報(bào)告指出，充分發(fā)揮創(chuàng)新主導(dǎo)作用，以科技創(chuàng)新推動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，加快推進(jìn)新型工業(yè)化，提高全要素生產(chǎn)率，不斷塑造發(fā)展新動(dòng)能新優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)社會(huì)生產(chǎn)力實(shí)現(xiàn)新的躍升。在積極培育新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)方面，提到開辟量子技術(shù)、生命科學(xué)等新賽道。

量子信息技術(shù)是以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)，通過對(duì)微觀量子系統(tǒng)中物理狀態(tài)的制備、調(diào)控和觀測，實(shí)現(xiàn)信息感知、計(jì)算和傳輸?shù)娜滦畔⑻幚矸绞?。目前主要有量子通信、量子?jì)算和量子精密測量三個(gè)研究領(lǐng)域。其中，量子保密通信是最先進(jìn)入實(shí)用化階段、發(fā)展最為成熟的量子信息技術(shù)，中國當(dāng)前量子通信市場規(guī)模超800億元。

經(jīng)過20余年的努力，中國整體上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從跟蹤、并跑到部分領(lǐng)跑的飛躍，在量子通信的研究和應(yīng)用方面處于國際領(lǐng)先地位，在量子計(jì)算方面處于國際第一方陣，在量子精密測量部分方向上處于國際領(lǐng)先或先進(jìn)水平。

目前，國內(nèi)外均有量子通信技術(shù)落地，美國、歐洲、中國等國家已經(jīng)建立了量子通信網(wǎng)絡(luò)，其中，中國的量子通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模最大、傳輸距離最長，并且實(shí)現(xiàn)了地空連接，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積最大。

中國城域城際量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已初步滿足實(shí)用化要求，總里程超過10000公里的國家量子骨干網(wǎng)已全線貫通，覆蓋京津冀、長三角、粵港澳、成渝等重要區(qū)域。衛(wèi)星量子通信方面，中國研制并發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，率先實(shí)現(xiàn)星地量子通信。

中國是目前唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩種物理體系都達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑的國家。中國構(gòu)建的76光子光量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，在國際上首次在光量子體系實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑……在超導(dǎo)量子體系，中國先后構(gòu)建了62比特超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”和66比特的“祖沖之二號(hào)”，在超導(dǎo)量子體系實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

量子信息在中國屬于戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，目前企業(yè)主要分布在京津冀、長三角等地。各部委近年來出臺(tái)了一系列相關(guān)政策，自2016年起兩會(huì)政府工作報(bào)告均提及量子信息科技；2024年兩會(huì)期間，國務(wù)院國資委指出，2025年中央企業(yè)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)收入的占比要達(dá)35%，在量子信息等方面提前布局。

目前全球量子信息企業(yè)中，歐美占比超過60%，中國占比約30%。其中，量子通信領(lǐng)域中國相關(guān)企業(yè)數(shù)量最多。美國包括IBM、谷歌、英特爾、微軟、亞馬遜等巨頭成立的研發(fā)部門，以及眾多初創(chuàng)企業(yè)在硬件、軟件、算法等領(lǐng)域開展創(chuàng)新。中國華為、百度、騰訊等企業(yè)近年來也相繼成立量子實(shí)驗(yàn)室積極布局，但相對(duì)美國科技企業(yè)而言投入推動(dòng)力度仍較為有限。

量子技術(shù)正在不斷形成新的科學(xué)前沿，激發(fā)革命性的科技創(chuàng)新，孕育對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生巨大影響的顛覆性技術(shù)。對(duì)于大眾而言，量子通信會(huì)使信息傳遞更加安全、個(gè)人隱私保護(hù)得到加強(qiáng)；另一方面，相關(guān)的教育和就業(yè)機(jī)會(huì)也可能會(huì)增多，這意味著，對(duì)于量子技術(shù)上下游產(chǎn)業(yè)的從業(yè)者而言，需要提升相關(guān)科學(xué)素養(yǎng)和就業(yè)技能。