我国学者构建国际首个基于纠缠的城域量子网络

　　

图 实验节点布局示意图：Alice节点位于中国科大东区、Bob节点位于合肥创新产业园、Charlie节点位于安徽光机所

　　在国家自然科学基金项目（批准号：T2125010）等资助下，中国科学技术大学潘建伟教授、包小辉教授、张强教授等首次完整实现了基于单光子干涉的远距离双节点纠缠，并以此为基础构建了国际首个城域三节点量子纠缠网络。研究成果以“城域量子网络中量子存储间纠缠的建立（Creation of memory–memory entanglement in a metropolitan quantum network）”为题，于5月16日在线发表于国际学术期刊《自然》（Nature）杂志上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07308-0。

　　通过量子态的远程传输来构建量子网络是大尺度量子信息处理的基本要素。基于量子网络，可以实现广域量子密钥分发以及分布式量子计算和量子传感，构成未来“量子互联网”的技术基础。目前，基于单光子传输的量子密钥网络已发展成熟，而面向分布式量子计算、分布式量子传感等量子网络的进一步应用，需要采用量子中继技术在远距离量子存储器间构建量子纠缠，在此基础上通过广域量子隐形传态将各个量子信息处理节点连接起来。

　　在量子隐形传态、量子存储与量子中继等量子网络关键技术方面，中国科大潘建伟团队一直处于国际领先水平。2020年，研究团队利用量子频率转换技术并结合单光子锁相技术成功地实现了经由50公里光纤的双节点纠缠 [Nature 578, 240 (2020)]。该成果至今仍是双节点量子中继实验的最远纪录，不过该实验中两台量子存储器位于同一实验室，并未完全独立。在远距离分离的独立量子存储器间建立纠缠，需要同时克服纠缠过程中量子存储的控制激光、频率转换泵浦激光、长光纤信道等带来的细微相位抖动所导致的纠缠退相干，实验难度非常高。在最新研究成果中，研究团队发展了一套基于超稳腔稳频压制控制激光线宽、光锁相环构建本地激光器相位关联和远程分时相位比对构建节点间相位关联的相位控制方案，成功克服了这一技术挑战。结合量子频率转换，团队成功实现了相距十几千米远的量子存储器之间的纠缠。以此为基础，研究团队构建了国际上首个城域三节点量子纠缠网络。该网络可以在任意两个量子存储器节点间建立纠缠。

　　该工作使得现实量子纠缠网络的距离由几十米提升至几十公里，是国际首个城域多节点量子网络实验；与其他双节点远距离实验相比，纠缠效率提高两个数量级以上，为后续开展设备无关量子密钥分发、盲量子计算、分布式量子计算、量子增强长基线干涉等量子网络应用奠定了科学与技术基础。