中国科学技术大学取得2026年量子中继器重大突破

2026年初，University of Science and Technology of China (USTC) 的研究人员在量子计算与通信领域取得了里程碑式的突破，展示了量子中继器的可扩展构建模块。这一发表在《Nature》杂志上的研究进展，利用长寿命的离子阱量子存储器和高效的电信接口，在10公里的光纤上建立了纠缠。通过克服远程量子态的快速退相干，由 Hao Li、Yi Yang 和 Ye Wang 领导的团队提供了首个实际证据，证明城市规模的量子网络在物理和技术上是可行的。

全球量子互联网的愿景依赖于量子通信、量子计量和分布式量子计算的无缝集成。这样一个网络有望带来信息处理和安全保障方式的范式转变，提供高分辨率传感并在计算任务中实现指数级加速。然而，该网络的物理基础需要在广阔的地理区域内确定性地分布纠缠——一种无论距离多远，粒子都保持连接的现象。直到最近，在长距离维持这些脆弱连接所需的基础设施仍然是该行业最重要的“缺失环节”。

量子中继器如何解决光纤中的光子损耗？

量子中继器通过将长通信链路划分为更短的分段，并使用纠缠交换在不直接放大信号的情况下连接它们，从而克服了光纤中的光子损耗。通过采用量子存储器在等待成功链路确认时存储信息，这些中继器防止了通常在长距离传输中发生的退相干。这种方法有效地绕过了不可克隆原理，该原理阻止了以传统信号增强的方式对量子态进行放大。

在传统的光纤电信中，信号损耗是通过增强光强的放大器来管理的。然而，在量子计算和通信领域，无法使用标准放大器，因为任何复制或放大量子态的尝试都会破坏原始信息。光纤中这种指数级的光子损耗历来将基于光纤的量子通信限制在相对较短的范围内。量子中继器通过在局部分段内产生纠缠，然后将这种纠缠“交换”到下一个分段来解决这个问题，从而创建一个可以跨越数百甚至数千公里而无需信号克隆的连续链路。

2026年量子中继器取得了哪些近期突破？

2026年的主要突破涉及开发长寿命离子阱存储器和高可见度单光子纠缠协议，以建立超过10公里的存储器-存储器纠缠。这项由 Hao Li 及其同事撰写的研究实现了超过建立所需时间的纠缠寿命，解决了远程量子存储器中快速退相干的关键瓶颈。这标志着从理论实验室设计向能够支持城市规模量子计算网络的实用硬件的转型。

USTC 团队采用的方法涉及几项关键技术创新。首先，他们利用了离子阱技术，与其他固态系统相比，该技术提供了显著更长的相干时间。其次，他们开发了一个高效的电信接口，将离子的内部量子态转换为与现有光纤基础设施兼容的光子。这使得研究人员能够在建立纠缠所需的平均时间内，在10公里的光纤链路上维持存储器-存储器纠缠。这种同步是扩展网络的关键前提，因为它确保了在链路中的下一个环节准备就绪之前，量子信息不会消失。

量子中继器将如何实现设备无关的 QKD？

量子中继器通过将高保真度纠缠分布扩展到直接光纤链路无法达到的距离，实现了设备无关量子密钥分发 (DI-QKD)。通过在渐近极限下验证了超过101公里的正安全密钥率，USTC 团队证明了量子中继器可以促进“不可破解”的通信。这确保了通信的安全性由物理定律保障，无论硬件内部是否存在缺陷。

在城市规模上实际演示 DI-QKD 可能是这项研究最重要的近期应用。该团队在10公里的距离内，从约405,000个贝尔对中成功提取了1,917个安全密钥。在此之前，DI-QKD 受到距离的严重限制；这项新研究将可实现的范围扩大了两个数量级以上。对于政府、金融和个人数据安全而言，这代表了向未来迈进的一步，届时量子密码学将保护数据免受即使是最复杂的经典或量子黑客攻击。

这对量子计算领域的影响是深远的，因为这些中继器是可扩展架构的基础“构建模块”。通过证明纠缠可以被建立并保持足够长的时间以进行提纯和交换，Hao Li 及其同事为多节点网络提供了蓝图。在101公里范围内实现正密钥率的能力表明，我们正接近这样一个阶段：量子节点可以以类似于当前经典互联网枢纽的间隔放置，从而允许一种混合基础设施，将世界从经典通信过渡到量子安全通信。

展望未来，量子计算研究的焦点将转向将这些中继器模块集成到现有的商业光纤网络中。USTC 团队及更广泛科学界的“下一步”包括优化纠缠提纯过程，以进一步提高安全密钥率，并将网络扩展到包含网状配置中的多个节点。随着这些系统从10公里移动到100公里并最终达到全球规模，安全、互连的量子互联网梦想正从理论物理领域走向全球电信的现实。

• 主要研究： 用于可扩展量子网络的量子中继器构建模块。
• 主要作者： Hao Li, Yi Yang, Ye Wang (USTC)。
• 关键里程碑： 10公里光纤纠缠，具备101公里渐近能力。
• 技术： 离子阱量子存储器和电信接口转换。
• 安全应用： 设备无关量子密钥分发 (DI-QKD) 的突破。