yyds！中科大常务副校长潘建伟院士团队3天连发2篇Nature/Science

北京时间2月3日至6日，短短三天时间里，中国科学技术大学潘建伟院士团队接连在国际顶尖学术期刊《Nature》和《Science》发表两篇重磅研究论文，分别在可扩展量子中继和百公里级器件无关量子密钥分发两大领域取得突破性进展。两项成果均为远距离量子网络构建与量子通信实用化奠定了里程碑式基础，进一步巩固了我国在量子信息科学领域的国际领先地位，标志着基于量子纠缠的光纤量子网络正从理论构想加速走向现实可能。

量子信息科学的终极发展目标是构建高效、安全的量子网络，而远距离确定性量子纠缠分发是实现这一目标的核心要素。光纤的固有损耗导致量子纠缠传输效率随距离呈指数衰减，这一难题长期制约着量子网络的可扩展性——经过1000公里标准光纤直接传输后，光信号衰减将达到万亿亿分之一，难以满足实际应用需求。潘建伟团队的两项成果分别从“中继赋能”和“安全升级”两个维度，针对性破解了这一领域的关键瓶颈，形成了互补支撑的重大突破。

Nature：构建可扩展量子中继基本模块，破解纠缠连接核心难题

2月3日，潘建伟团队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、清华大学等单位合作，以“Long-lived remote ion-ion entanglement for scalable quantum repeaters”为题，在《Nature》发表研究论文，首次构建出可扩展量子中继的基本模块，使远距离量子网络成为现实可能。

长期以来，量子中继方案被认为是解决光纤传输损耗的有效途径——通过在长距离光纤线路中设置中继站点，相邻站点间产生纠缠后再通过纠缠交换连接，可使1000公里光纤的纠缠分发效率提升100亿亿倍。但近30年来，一个核心技术难题始终未能突破：量子纠缠的寿命远远短于纠缠建立所需的时间，导致相邻纠缠无法实现有效连接，严重制约了量子中继的可扩展性。

图1. 量子网络示意图

针对这一痛点，研究团队通过系统性技术创新，发展出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，成功实现了远程囚禁离子间的长寿命量子纠缠。实验数据显示，该纠缠寿命达到550±36毫秒，显著超过纠缠建立所需的450毫秒，这一差值为纠缠交换、多级连接提供了关键的时间窗口，彻底解决了纠缠无法有效连接的难题。

图2. 量子中继原理图。（1）近邻中继节点之间（例如A与B、B与C之间等）通过光子干涉建立纠缠。（2）在节点B执行纠缠交换，可以在节点A和C之间建立纠缠，以此类推。（3）通过多级纠缠交换将纠缠距离逐级扩展，最终在最远端节点A和K之间建立纠缠。

同时，团队在10公里光纤传输场景下，实现了Bell态保真度大于0.90的高保真纠缠分发，充分验证了该方案在噪声抑制、信号传输等方面的优异性能。为进一步提升方案的实用性，研究团队还通过自旋回波与动力学解耦技术，有效抑制了囚禁离子的退相干效应，确保纠缠态在传输和存储过程中的稳定性，为后续构建多级量子中继链路提供了可靠保障。该成果的核心价值在于，将量子中继从“理论可行”推向“物理可实现”，成功构建了可扩展量子中继的基本模块，不仅解决了近30年来困扰量子网络领域的核心瓶颈，更为后续多级量子中继组网、远距离量子网络部署提供了核心技术支撑，是量子网络研究领域从基础研究走向应用探索的重大跨越，对推动全球量子互联网的发展具有里程碑式的意义。

图3. 可扩展量子中继的基本模块原理图。（1）实验由长寿命囚禁离子量子储存器、高效率量子频率转换模块与高对比度单光子干涉模块组成。（2）纠缠建立速率为2.226赫兹，即等待时间约450毫秒。（3）纠缠寿命约550毫秒。

Science：突破百公里级器件无关量子密钥分发，迈向实用化安全通信

仅隔三天，2月6日，潘建伟团队再次发力，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单位合作，以“Device-independent quantum key distribution over 100 km with single atoms”为题，在《Science》发表另一项重磅成果——基于单原子节点，成功实现了100公里光纤链路下的器件无关量子密钥分发（DI-QKD），较国际此前最好实验水平提升两个数量级，完成了该技术从“概念验证”到“实用化”的关键跨越。

这一突破刷新了DI-QKD传输距离纪录，破解了其实用化核心障碍，为城域及城际高安全量子通信提供了可行方案，并与《Nature》量子中继成果互补，共同推动量子网络构建迈入新阶段。

图4. 百公里DI-QKD实验示意图。两端节点内的单原子通过里德堡单光子生成过程发射光子，光子经长距离光纤传输至中间节点并发生干涉。在探测到预报事件后，两端原子被投影到远距离纠缠态，从而实现纠缠分发。随后两端对原子进行随机基测量，测量结果用于贝尔不等式检验以验证安全性，并在通过检验后对数据进行后处理生成安全密钥。

编辑、审核：石瑾鹏

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