时隔3天，潘建伟院士团队，再发Science正刊！

首次突破100公里！单原子设备无关量子密钥分发走向城域网络

量子密钥分发（QKD）被认为是未来量子互联网中最具现实落地前景的核心应用之一。然而，现实世界中的量子设备并非完美无缺，探测效率不足、器件漏洞等问题，始终威胁着量子通信的绝对安全性。为此，科学家提出了“设备无关量子密钥分发”（DI-QKD）这一终极方案——其安全性不依赖任何对设备内部结构的信任，而是直接由贝尔不等式的违背来保证。

但问题在于，DI-QKD 对系统要求极其苛刻：需要高保真、长距离的纠缠分发，同时还要满足极高的探测效率。过去，这类实验往往只能在实验室尺度、几米到几百米的距离上完成，距离真实通信网络仍相去甚远。如何将 DI-QKD 推向“城市级”甚至更远距离，一直是量子通信领域的核心难题。

今日，中国科学技术大学潘建伟院士联合包小辉教授首次基于单原子量子节点，实现了100 公里光纤距离下的设备无关量子密钥分发。研究团队通过引入单光子干涉型纠缠生成方案、Rydberg 原子单光子发射机制以及量子频率转换技术，在显著提升纠缠速率的同时抑制了原子反冲噪声，实现了高保真、可扩展的远距离纠缠分发。实验不仅在 11 公里距离上实现了有限尺寸安全密钥生成，还在 100 公里尺度上获得了正的渐近密钥率，为设备无关量子通信从概念验证迈向实际应用奠定了关键基础。相关成果以“Device-independent quantum key distribution over 100 km with single atoms”为题发表在《Science》上，Bo-Wei Lu、Chao-Wei Yang和Run-Qi Wang为共同第一作者。值得一提的是，这是潘建伟院士团队本周的第二篇正刊！

研究团队首先搭建了一套完整的三节点量子通信系统：两个相距甚远的单原子量子节点 Alice 和 Bob，通过长距离光纤连接到中心测量节点 Charlie（图1a）。在每个量子节点中，单个 87Rb 原子被囚禁在交叉光镊中，作为可长时间保持相干性的量子存储器（图1b）。实验的关键在于，Alice 和 Bob 并不直接交换量子信息，而是各自发射单光子，让光子在 Charlie 处发生干涉并被探测，从而“宣告式”地产生远程原子—原子纠缠。随后，双方基于本地量子随机数发生器独立选择测量基并读取原子态，在无需信任任何探测或制备设备内部细节的前提下，完成设备无关量子密钥分发协议。这种“纠缠先行、测量后置”的整体架构，为 DI-QKD 从实验室走向真实网络奠定了系统基础。

图1：基于单原子量子节点的 DI-QKD 实验系统总体架构与关键模块

在单光子干涉型纠缠方案中，光子的相干性和不可区分性至关重要，但对于中性原子而言，光子发射带来的动量反冲会泄露“路径信息”，严重损害纠缠质量。为此，研究团队设计了一种基于 Rydberg 态的单光子发射机制（图2a），将光子生成过程在时间上与激发脉冲分离，并通过共线光学几何结构显著抑制原子反冲效应。实验结果显示，来自两个独立原子节点的单光子能够产生高对比度的干涉条纹（图2c），并在 Hong–Ou–Mandel 干涉实验中展现出接近理想值的不可区分性（图2d）。这表明，单光子在经历复杂操控后仍保持了极高的相干纯度，为后续高保真、可扩展的远距离纠缠分发提供了物理基础。

图2：Rydberg 单光子发射方案及光子相干性、不可区分性表征

基于上述光子与原子操控方案，研究团队系统性测试了不同光纤长度下的原子—原子纠缠性能（图3）。实验覆盖了从 11 公里到 100 公里的多个距离区间，通过单光子干涉方案，纠缠事件率随距离呈线性下降，显著优于传统双光子方案。更关键的是，在动态解耦等技术的辅助下，纠缠保真度在 100 公里距离下仍保持在 0.9 以上，全面满足设备无关量子密钥分发对纠缠质量的严格要求。这一结果意味着，单原子体系不再局限于“短距离高保真”，而是真正具备了支撑城域级量子网络的能力。

图3：不同光纤长度下的远程原子—原子纠缠速率与纠缠保真度

在确认纠缠质量和速率均满足要求后，研究团队进一步在 11 公里光纤距离上完整运行了 DI-QKD 协议（图4）。系统连续稳定运行 624 小时，累计获得超过 120 万次纠缠事件，并在此基础上观测到显著的 CHSH 贝尔不等式违背，量子误码率始终维持在较低水平。通过熵累积定理进行严格分析，实验在有限数据量条件下仍成功提取出安全密钥，标志着设备无关量子密钥分发首次不再停留于“渐近极限”，而是具备了现实可操作的安全输出能力。

图4：11 公里距离下设备无关量子密钥分发的有限尺寸安全性验证

进一步的分析表明，在 20、50、70 以及 100 公里光纤距离下，系统依然能够稳定观测到贝尔不等式违背，并获得正的渐近安全密钥率（图5）。尽管随着距离增加，纠缠速率和信噪比不可避免地下降，但非定域量子关联始终清晰存在，从根本上保障了量子通信的安全性。这一结果意味着，设备无关量子密钥分发已不再是实验室里的“概念验证”，而是真正具备向城市级乃至更大规模量子网络延伸的现实潜力。

图5：最长 100 公里光纤条件下的贝尔违背与渐近安全密钥率表现

小结

这项工作首次在百公里尺度上实现了基于单原子的设备无关量子密钥分发，成功弥合了量子通信从“原理验证”到“真实网络应用”之间的关键鸿沟。通过在纠缠生成、噪声抑制和系统稳定性上的一系列创新，研究团队不仅展示了 DI-QKD 的现实可行性，也为未来的设备无关量子随机数生成、量子网络自检验以及大规模量子中继奠定了技术基础。随着更低损耗光纤、多节点并行纠缠和原子阵列技术的发展，真正安全、可扩展的量子互联网，正在从愿景走向现实。