USTC uppnår genombrott inom kvantrepeatrar 2026

I början av 2026 uppnådde forskare vid University of Science and Technology of China (USTC) ett banbrytande genombrott inom kvantberäkning och kommunikation genom att demonstrera en skalbar byggsten för kvantrepeatrar. Denna framgång, som publicerats i tidskriften Nature, utnyttjade långlivade kvantminnen baserade på fångade joner och effektiva telekomgränssnitt för att upprätta sammanflätning över 10 kilometer optisk fiber. Genom att övervinna den snabba dekoherensen hos avlägsna kvanttillstånd har teamet, lett av Hao Li, Yi Yang och Ye Wang, presenterat de första praktiska bevisen på att kvantnätverk i storstadsskala är fysiskt och tekniskt genomförbara.

Visionen om ett globalt kvantinternet bygger på en sömlös integration av kvantkommunikation, kvantmetrologi och distribuerad kvantberäkning. Ett sådant nätverk utlovar ett paradigmskifte i hur information bearbetas och säkras, med högupplöst avkänning och exponentiella hastighetsökningar i beräkningsuppgifter. Den fysiska grunden för detta nätverk kräver dock deterministisk distribution av sammanflätning – ett fenomen där partiklar förblir sammankopplade oavsett avstånd – över stora geografiska områden. Fram tills nyligen har den infrastruktur som krävs för att upprätthålla dessa sköra kopplingar över långa avstånd varit branschens mest betydande "felande länk".

Hur löser kvantrepeatrar fotonförlust i fiberoptik?

Kvantrepeatrar övervinner fotonförlust i fiberoptik genom att dela upp långa kommunikationslänkar i kortare segment och använda sammanflätningsbyte (entanglement swapping) för att koppla samman dem utan att förstärka signalen direkt. Genom att använda kvantminnen för att lagra information i väntan på bekräftelse av en lyckad länk, förhindrar dessa repeatrar den dekoherens som vanligtvis uppstår vid långdistansöverföring. Denna metod kringgår effektivt no-cloning-teoremet, vilket förhindrar förstärkning av kvanttillstånd på samma sätt som klassiska signaler förstärks.

I traditionell fiberoptisk telekommunikation hanteras signalförlust genom förstärkare som ökar ljusets intensitet. Inom kvantberäkning och kommunikation kan dock standardförstärkare inte användas eftersom varje försök att kopiera eller förstärka ett kvanttillstånd förstör den ursprungliga informationen. Denna exponentiella fotonförlust i glasfibrer har historiskt sett begränsat fiberbaserad kvantkommunikation till relativt korta avstånd. Kvantrepeatrar löser detta genom att generera sammanflätning inom lokala segment och sedan "byta" den sammanflätningen till nästa segment, vilket skapar en kontinuerlig länk som kan sträcka sig över hundratals eller till och med tusentals kilometer utan behov av signalkloning.

Vilka nyligen gjorda genombrott skedde inom kvantrepeatrar 2026?

Det primära genombrottet 2026 innefattade utvecklingen av långlivade minnen baserade på fångade joner och ett protokoll för enfotons-sammanflätning med hög synlighet för att upprätta minne-till-minne-sammanflätning över 10 km. Denna forskning, författad av Hao Li och kollegor, uppnådde livslängder för sammanflätning som överstiger den tid som krävs för att upprätta den, vilket löser den kritiska flaskhalsen med snabb dekoherens i avlägsna kvantminnen. Detta markerar en övergång från teoretiska laboratoriedesigner till funktionell hårdvara som kan stödja nätverk för kvantberäkning i storstadsskala.

Metodiken som användes av USTC-teamet involverade flera viktiga tekniska innovationer. För det första använde de teknik med fångade joner, vilket erbjuder betydligt längre koherenstider jämfört med andra fasta tillstånd-system. För det andra utvecklade de ett effektivt telekomgränssnitt som omvandlar jonernas interna kvanttillstånd till fotoner kompatibla med befintlig fiberoptisk infrastruktur. Detta gjorde det möjligt för forskarna att upprätthålla minne-till-minne-sammanflätning över en 10 km fiberlänk inom den genomsnittliga tid det tar att upprätta den sammanflätningen. Denna synkronisering är en avgörande förutsättning för att skala nätverket, eftersom den säkerställer att kvantinformationen inte försvinner innan nästa länk i kedjan är redo.

Hur kommer kvantrepeatrar att möjliggöra enhetsoberoende QKD?

Kvantrepeatrar möjliggör enhetsoberoende kvantnyckeldelning (DI-QKD) genom att utöka distributionen av sammanflätning med hög trohet över avstånd som är omöjliga för direkta fiberlänkar. Genom att validera en positiv hastighet för hemliga nycklar över 101 kilometer i den asymptotiska gränsen, demonstrerade USTC-teamet att kvantrepeatrar kan underlätta "oknäckbar" kommunikation. Detta säkerställer att kommunikationens säkerhet garanteras av fysikens lagar, oavsett hårdvarans interna brister.

Den praktiska demonstrationen av DI-QKD i storstadsskala är kanske den mest betydelsefulla omedelbara tillämpningen av denna forskning. Teamet lyckades utvinna 1 917 hemliga nycklar från cirka 405 000 Bell-par över ett avstånd på 10 km. Innan detta var DI-QKD kraftigt begränsad av avstånd; denna nya forskning utökar räckvidden med mer än två storleksordningar. För statlig, finansiell och personlig datasäkerhet representerar detta ett skifte mot en framtid där kvantkryptografi skyddar data mot även de mest sofistikerade klassiska eller kvantbaserade hackningsförsöken.

Implikationerna för kvantberäkning är djupgående, eftersom dessa repeatrar fungerar som de grundläggande "byggstenarna" för en skalbar arkitektur. Genom att bevisa att sammanflätning kan upprättas och bevaras tillräckligt länge för rening och byte, har Hao Li och hans kollegor tillhandahållit en blåkopia för flernodsnätverk. Förmågan att uppnå en positiv nyckelhastighet över 101 km tyder på att vi närmar oss den punkt där kvantnoder kan placeras med intervall liknande nuvarande klassiska internethubbar, vilket möjliggör en hybridinfrastruktur som ställer om världen från klassisk till kvantsäker kommunikation.

Framöver kommer fokus inom forskning på kvantberäkning att skifta mot integrationen av dessa repeatermoduler i befintliga kommersiella fibernätverk. Nästa steg för USTC-teamet och det bredare forskarsamhället innebär att optimera processen för rening av sammanflätning för att ytterligare öka hastigheten för hemliga nycklar samt att utöka nätverket till att omfatta flera noder i en mesh-konfiguration. Allteftersom dessa system rör sig från 10 km till 100 km och slutligen till global skala, flyttas drömmen om ett säkert, sammanlänkat kvantinternet från den teoretiska fysikens värld till den globala telekommunikationens verklighet.

• Primär forskning: En byggsten för kvantrepeatrar för skalbara kvantnätverk.
• Huvudförfattare: Hao Li, Yi Yang, Ye Wang (USTC).
• Viktig milstolpe: 10 km fibersammanflätning med 101 km asymptotisk kapacitet.
• Teknik: Kvantminnen med fångade joner och konvertering via telekomgränssnitt.
• Säkerhetstillämpning: Genombrott inom enhetsoberoende kvantnyckeldelning (DI-QKD).