近日，合肥国家实验室/中国科学技术大学潘建伟及其同事在可扩展量子网络研究方面取得重大突破。汪野、万雍、张强、潘建伟等与济南量子技术研究院、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、香港大学、清华大学等的研究人员合作，在国际上首次构建出可扩展量子中继的基本模块，使得远距离量子网络成为现实可能。与此同时，包小辉、徐飞虎、张强、潘建伟等与济南量子技术研究院、新加坡国立大学、加拿大滑铁卢大学等的研究人员合作，实现了单原子节点间的远距离高保真纠缠，并在此基础上首次将器件无关量子密钥分发（DI-QKD）的传输距离突破百公里，极大推进了该技术的实用化进程。两项成果分别于北京时间2月3日和6日发表于国际权威学术期刊《自然》和《科学》。

　　什么是量子中继？为什么我们需要量子中继？量子中继又将为量子网络的实现带来哪些新的可能性？接下来，小编就将为你一一解答。

　　想象你正在参加一场马拉松比赛，赛程已经进行到了中段，但你在路途中仍没有找到任何一个补给点。为了完成比赛，你会怎么做？是以越来越慢的速度撑到终点？还是立即在周围寻找补给站？量子通信领域的研究者同样面临着类似的难题，而他们给出的解决方案可以说是“脑洞大开”：既然一个人很难完成这场比赛，那为什么不找更多人来“接力”完成呢？

　　▲图2 机器人跑马拉松可能不需要补给，但需要喷“云南白药”人工降温（图片来源：央视频）

　　与马拉松类似，在长距离光纤网络中进行量子的纠缠与分发是一项巨大的挑战。在传输距离超过 1000 公里时，由于光纤损耗等限制性因素，即使以 10GHz 的速率发送单个低损耗的通信波段光子，科学家也需要等待数百年，才能在光纤的另一端探测到它。这样的速度显然是无法用于信息传输的。

　　传统的通信技术通过放大器来增强信号，从而克服了这一问题。然而，这一解决方法在安全性更高的量子通信领域却无法实现：放大器会破坏光子的量子态。而且，由于量子态的“不可克隆性”，未知量子态光子所携带的信息也无法被复制。

　　量子中继方案的提出原理上解决了这一问题。其基本思想为将一个远距离的量子信道分为较短的若干子信道；在每个子信道进行量子纠缠分发，并结合量子存储确定性产生子信道两端间的量子纠缠态；之后利用量子纠缠交换技术连接每段子信道，并利用纠缠纯化技术提升纠缠品质，最终实现在整个远距离信道首尾两端高效地建立量子纠缠；利用此异地纠缠即可开展量子通讯方案，如量子密钥分发、量子态隐形传输、分布式量子计算等。

　　如图3所示，通过长寿命离子量子存储器把较长传输距离分为损耗较小的短片段。每一个量子存储器都会发出与之纠缠的光子，当相邻量子存储器发出的光子相遇后，用它们进行贝尔态测量（BSM），就可以借助光子使得两个相邻量子存储器之间建立纠缠。

　　量子存储器的长寿命特质，允许我们重复尝试纠缠建立，直到所有两两相邻的存储器之间都纠缠起来。随后，可以将类似光子BSM的操作，分步、依此作用在位于同一量子存储器的两个离子上，就可以进一步延长距离，最终实现相距最远的Alice和Bob之间的纠缠建立。

　　2016年，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心发射，充分验证了基于卫星实现全球化量子通信的可行性。此后，中国科大研究团队不断提升利用“墨子号”科学实验卫星在远距离的量子态传输方面的研究成果，目前已首次实现横跨赤道，在地球上相距1200公里两个地面站之间的量子态远程传输，向构建全球化量子信息处理和量子通信网络迈出重要一步。

　　基于卫星的远距离量子通信可以有效延长通信距离，但实现成本较高，需要卫星、大型望远镜、接收设备等昂贵组件。而量子中继作为量子网络的另一条实现途径，通过传统光纤通道和量子中继器即可以实现远距离的高速安全通信。

　　因此，量子存储器目前是许多实验室的研究重点，研究方向集中在提升其在纠缠寿命、纠缠保真度、纠缠速率等性能指标。

　　在纠缠寿命方面，现有成果通常以“纠缠相干时间大于平均建立时间”为判据，但这一标准并不能保证纠缠在整个过程中始终存在，即纠缠保线以下，从而无法满足量子中继与量子通信的需求。

　　在纠缠保真度和生成速率方面，虽然短距离条件下均可保持较高水平，但在长距离光纤传输中二者会显著下降，难以同时维持高性能，从而限制了系统满足实际量子通信协议的能力。

　　基于长寿命囚禁离子量子存储器、高效率离子-光子通信接口及高保真度单光子纠缠协议，中国科大团队在10 km光纤链路上成功实现了两个钙离子存储器之间的确定性纠缠，其纠缠存储时间及相干时间（约550 ms）均大于纠缠平均建立时间（约450 ms），从根本上满足了量子中继对多级纠缠交换和纠缠纯化的物理要求，为可扩展量子网络提供了关键技术支撑。

　　基于相似的可扩展量子中继技术，中国科大团队成功实现了单个铷原子之间的远距离高保线 km 光纤链路上，原子节点间的远程纠缠保线% 以上，显著优于国际同类实验结果。在此基础上，团队首次在城域尺度光纤链路上实现了设备无关量子密钥分发：在 11 km 光纤链路中完成了基于有限数据量的安全性分析与严格证明，传输距离较此前最佳结果提升约3000 倍；在 100 km 光纤链路中演示了密钥生成的可行性，传输距离较国际先前实验水平提升两个数量级以上。

　　量子网络能够以量子比特为媒介，在相距遥远的量子处理器之间传输信息，在用户与设施之间建立紧密而安全的链接。高保真、长寿命、低损耗量子中继模块的成功构建，意味着量子通信向长距离、可扩展量子网络迈出了重要一步。

　　随着量子卫星、量子中继等量子网络的基础架构不断升级，量子网络将逐步实现信息的高精度感知、高速处理、安全传输。相信在不久的将来，人们将能够利用量子网络访问强大的量子计算机，让其运行复杂算法，从而解决各学科应用中的复杂难题；金融机构能在绝对安全的环境中完成隐私数据的计算；而通过连接天文望远镜、粒子探测器、原子光钟等科学设施，人类或将在观测宇宙、探测微观世界时拥有前所未有的分辨率与协同能力。