辽宁
在遥远城市之间构建起一张牢不可破的量子通信网络,曾长期停留在物理学家的理论蓝图之中。如今,这一构想正被中国科学家一步步变为现实。
中国科学技术大学潘建伟、包小辉、张强团队联合济南量子技术研究院等机构,成功实现了跨越420公里光纤的两个冷原子量子存储器之间的量子纠缠,一举将此前的纪录提升了整整四倍,同时在超过230公里的距离上,突破了无中继量子纠缠分发的理论极限。
从50公里到420公里:一场持续多年的距离突围战
量子纠缠——这一被爱因斯坦称为"幽灵般的超距作用"的奇特现象,是构建量子通信网络的核心基石。两个处于纠缠状态的粒子,无论相隔多远,对其中一个粒子的操作都会瞬间影响另一个粒子的状态。这一特性使其成为实现绝对安全通信、量子计算互联乃至未来量子互联网的关键资源。
然而,要将这种脆弱的量子关联维持在长距离光纤传输中,始终是横亘在物理学家面前的巨大技术障碍——光子在光纤中传输时会不可避免地发生损耗与退相干,距离每增加一段,纠缠得以幸存的概率便呈指数级下降。
正因如此,潘建伟团队此次取得的突破格外引人注目。据研究团队介绍,他们早在2020年便已实现经由50公里光纤连接的双节点量子存储器纠缠,此后持续在这一方向深耕突破。
2024年,团队在此基础上进一步推进技术积累,而此次的420公里纪录,则是在此前工作基础上,通过一系列关键技术革新才最终实现的重大跃升——包括切换光子的工作波长、革新频率转换方案,以及发展出高稳定性的双波长干涉技术等。
这些技术改进共同作用,使得来自两个相距420公里的冷原子量子存储器所发出的光子,依然能够保持稳定的单光子干涉现象,存储器间的量子纠缠也因此得到直接验证。
尤为值得关注的是,团队在230公里以上的距离上,成功突破了"无中继"量子纠缠分发的理论极限——这意味着,在不借助任何中继节点的情况下,仅凭光纤本身的直接传输,量子纠缠依然能够在如此遥远的距离上稳定存续。这一成果被视为对既有理论认知边界的一次实质性拓展,也让原本被认为"不可能"完成的长距离量子纠缠直接分发,展现出切实可行的技术路径。
通往量子互联网的关键一步
对于这项研究的战略意义,潘建伟团队及外界观察人士普遍认为,其价值远不止于刷新一项实验室纪录。眼下,全球各国正竞相探索构建量子网络的可行路径,而量子存储器之间的远距离纠缠,恰恰是实现"量子中继"这一关键技术的核心前提——通过在长距离光纤沿线部署一系列量子存储节点,并逐段建立并连接纠缠关系,理论上便能够将量子信息安全地传输至遥远的城市乃至国家之间,从而串联起真正意义上覆盖广域范围的量子通信网络。
据研究团队表示,这一成果为探索超越都市尺度的量子网络应用,提供了极具价值的实验平台。这也意味着,未来量子密钥分发、量子安全通信等应用场景,有望突破当前受限于城市内部或近郊范围的地理局限,向覆盖更广阔区域的城际乃至跨国量子网络迈进。
事实上,潘建伟团队近年来在量子通信领域已建树颇丰——从"墨子号"量子科学实验卫星实现千公里级的星地量子密钥分发,到"京沪干线"打造出全球首条长距离量子保密通信骨干网络,中国在这一前沿领域的持续投入,已使其在全球量子通信技术竞赛中占据了较为明显的领先身位。
当然,从实验室里的420公里纪录,到真正投入实际应用的城际量子网络,中间仍横亘着诸多工程化与规模化的挑战——包括如何进一步提升纠缠生成的速率与保真度、如何将现有技术方案适配到实际部署的商用光纤网络之中,以及如何有效控制建设与运营成本等现实问题。
但无论如何,这一次距离纪录的四倍跃升,已然为量子互联网这一宏大愿景,标注下了一个具有里程碑意义的坐标点。正如许多物理学界观察者所言,量子纠缠或许仍带着几分"幽灵般"的神秘色彩,但它离真正照进现实生活的那一天,似乎正变得越来越近。
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