光子百年：理论星火与技术革新

|作者：周祥发1,2,† 郭光灿1,2,††

(1 中国科学技术大学 量子信息实验室）

(2 中国科学技术大学 量子网络安徽省重点实验室）

本文选自《物理》2026年第9期

摘要光学是人类认知自然、探索物质世界的古老学科，从经典几何光学、波动光学一直至现代的量子光学体系，人类对光的认识已历经了数千年。文章以光量子百年的发展为主线，系统梳理光量子理论的萌芽、理论构建、实验验证等过程，深入剖析普朗克量子化理论、爱因斯坦光量子假说、量子电动力学等核心理论的演进逻辑与科学价值。同时，也概括性地总结激光技术、单光子源、量子纠缠、量子密钥分发、光量子计算与模拟、光量子存储等核心技术的发展脉络，并梳理中国科研团队从跟跑到并跑、领跑的跨越式发展成果。最后结合全球科技发展趋势，展望光量子技术的未来发展方向，为光量子基础研究与产业落地提供参考与借鉴。

关键词光量子，光子，波粒二象性，量子纠缠，量子通信，光量子计算，量子存储

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引 言

在作为自然界最普遍且极为重要的物理存在，光是人类感知世界、探索宇宙、认知微观与宏观物质规律的核心媒介。人类对光的研究贯穿了整个人类科技发展史，光的每一次重大认知革新，往往都推动着物理学范式的更迭与人类文明的进步。人类对光的探索可追溯至两千余年以前，从那时起，东西方古代文明就已经形成了早期的光学认知体系(图1)。在中国，战国时期墨家著作《墨经》中，就系统性记载了小孔成像、光的直线传播、光影变化等光学规律。《墨经》是世界范围内最早的光学研究典籍之一，是中国古代科学史上的光辉篇章[1，2]。公元前300年左右，欧几里得在其著作《光学》中，依托几何推演思维，建立了光的反射等基础规律。这是人类历史上较早将几何数学与光学现象系统结合的理论体系，为近代光学的公理化发展奠定了逻辑基础[3]。

图1《墨经》和欧几里得《光学》中关于光学现象的早期发现和结论

进入近代科学时代，人类对光的本质探索进入思辨与实验并行的全新阶段。特别是持续三百年的“波粒之争”，推动着经典光学逐步完善并最终走向光量子理论。17世纪，牛顿提出了光是由微小的粒子组成的假说。微粒说能够很好地解释光的直线传播、反射、色散等宏观现象；同期惠更斯也提出波动学说，初步阐释光的波动传播特性，并且能够解释光的衍射、干涉等微粒说无法理解的物理现象。牛顿的巨大声望使得微粒说在18世纪占据了统治地位。19世纪初，托马斯·杨双缝干涉实验、菲涅耳衍射实验、傅科光速测量实验等一系列经典实验，明确验证了光的波动特性，彻底动摇了微粒说的主导地位。19世纪中后期，麦克斯韦建立完整的电磁方程组，从而统一了电学、磁学与光学现象。电磁理论预言了“光是特定频段的电磁波”，并获得了实验证实。至此，波动光学占据了主导位置，经典物理学趋于成熟[4]。

19世纪末期，经典物理学声称已能够解释绝大多数宏观物理现象，但仍有“两朵乌云”成为经典体系无法逾越的瓶颈，其中之一就是黑体辐射的紫外灾难问题。这一“乌云”的存在击碎了经典物理完备性的迷梦，倒逼全新物理体系的诞生，从而为光量子理论的出现提供了时代契机。1900年普朗克能量量子化假设[5]、1905年爱因斯坦光量子假说[6]的相继提出，打破了经典物理能量连续的传统观点，正式开启量子物理与光量子科技发展的新纪元。

百余年来，光量子理论持续完善，从零散的理论假设到逐步构建起完备的量子光学与量子电动力学体系，为人类理解光的波粒二象性、量子叠加、量子纠缠等奇妙量子特性提供了成熟的理论体系。基于光量子理论，我们发展了激光技术、量子保密通信、光量子计算等一系列新兴技术，为国家信息安全、基础物理研究、高精度精密探测等诸多核心领域提供了新的支持。

在光量子科技百年的发展进程中，中国科学界实现了从零起步，从跟跑到并跑，再到局部领跑的历史性跨越。1961年国内首台红宝石激光器研制成功，奠定我国现代光学与光量子研究的硬件基础[7，8]。20世纪八、九十年代，国内的量子光学研究团队也初步建立，开启我国光量子基础研究的先声[9]。历经数十年积淀和发展，我国涌现出了一批顶尖科研攻坚团队，在光量子纠缠、星地量子通信、长距离量子密钥分发、光量子计算、量子存储等领域持续刷新世界纪录，成为全球光量子科技发展的核心中坚力量[10]。本文遵循历史演进时序，系统梳理近百年来的理论积淀和技术发展，总结理论发展规律与技术应用价值，并对光量子科技未来发展趋势与应用前景进行展望。

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光量子理论的百年演进

百年光量子科技的发展，离不开人们对光量子特性的深入探索。从1900年量子概念诞生至今，光量子理论历经理论假设、体系重构、实验验证等阶段，终于将经典光学推进到量子光学、量子电动力学形式。本章中我们简单回顾梳理百年理论演进的脉络，以期能呈现光量子物理发展的科学意义。

2.1 量子理论的萌芽

19世纪末期，经典物理学体系发展已相当完备，牛顿力学、麦克斯韦电磁学、热力学三大体系，能够精准解释几乎所有宏观物理现象，以至于英国物理学家开尔文勋爵声称物理学已无重大创新空间，后续研究仅需对现有理论进行精细化修正。然而实验精度的提升，也给了经典物理无法解释的难题。这其中即包含“黑体辐射问题”。在经典辐射理论中，由于假设能量连续分布，推导的辐射公式在短波紫外区域与实验数据严重不符，这一偏离也被称为“紫外灾难”。“紫外灾难”的存在，暴露了经典连续能量假设在微观尺度的局限性，无法适配微观尺度的物理规律。这为量子化理论的诞生提供了实验依据与研究契机，也开启了人类探索微观量子世界的全新征程。

1900年，德国物理学家普朗克率先取得突破。在对黑体辐射实验数据与经典理论的矛盾仔细分析后，普朗克通过数学拟合得到与实验结果完全匹配的黑体辐射计算公式[5]。为赋予公式合理的物理内涵，普朗克提出了颠覆性的能量量子化假设。该假设认为，微观物质的能量并非连续取值，而是以离散的量子单元为最小单位，能量计算公式为E=nhν，其中h为普朗克常量，是量子物理的基本常数。普朗克黑体辐射理论的提出，标志着量子理论正式诞生，为后续光量子理论、原子量子理论的发展奠定了基础。

然而，有资料显示，普朗克本人对这个革命性的量子假设充满了犹豫和不安。他认为量子化只是一种“数学上的权宜之计”，只适用于辐射的发射和吸收过程，而光在空间中传播时仍然是连续的电磁波。他也一度试图将这个量子化假设纳入经典理论，但是都没有成功。尽管普朗克有时也被称作是“保守的革命者”[11]，但量子理论的深刻性足以使得当时乃至现在的科学家们仍对其充满疑惑，并为之着迷。

2.2 光量子假说与波粒二象性

1905年，爱因斯坦针对光电效应的核心难题，在普朗克量子化理论的基础上，提出完整的光量子假说(图2)[6]。在论文中，爱因斯坦迈出了比普朗克更大胆的一步。他指出，光不仅在发射和吸收时是量子化的，而且在空间传播时也是以离散的、不可分割的能量子的形式存在的。爱因斯坦将这种能量子称为“光量子”，其能量与光的频率成正比，满足公式E=hν。爱因斯坦的光量子假设成功解释了光电效应的核心实验规律，解决了经典波动光学无法回答的科学难题。

图2 普朗克与爱因斯坦关于光量子理解的早期差异

光量子假说，揭示了光的波粒二象性——光既具有波动性，又具有粒子性(图3)[12]。这一概念打破了经典物理中“波和粒子是两种完全不同的物质形态”的传统观念。然而，这个假说在当时遭到了几乎所有主流物理学家的反对。因为光的波动性已经被无数实验所证实，大家普遍认为爱因斯坦的光量子说是对电磁理论的背叛。就连普朗克本人也表示，他不相信传播过程中光量子的存在，认为爱因斯坦“在他的思辨中走得太远了”。

图3 波粒二象性的经典类比：液滴在液面上周期跳跃，同时激发波纹，从而表现出经典的波粒二象性[12]

1923年康普顿发现X射线散射效应(康普顿效应)，随后中国物理学家吴有训在1924—1926年间用多种金属进行了系统的实验验证，因此该效应也被称为康普顿—吴有训散射[13]。康普顿—吴有训散射实验证实了光子与粒子一样，同时具备确定的能量与动量，一定程度上终结了物理学界对光量子假说的质疑。1926年，美国化学家吉尔伯特·刘易斯在一篇题为《光子的守恒》的论文中，正式将这种光量子命名为“光子(photon)”[14]。现如今这个名称成为了这种基本粒子的标准名称。至此，光子的物理实体地位终于被物理学界接受。然而光子概念的发展并没有就此止步。

2.3 光子的场论描述

1927年，英国物理学家保罗·狄拉克对经典电磁场进行了二次量子化，建立了量子场论的雏形[15]。在狄拉克的理论中，光子不再是一个简单的“粒子小球”，而是量子化电磁场的元激发。电磁场的每一个振动模式，都对应着一个光子的产生和湮灭。狄拉克的研究在理论上统一了光的波动性与粒子性，为光与物质相互作用的微观研究提供了全新理论范式。

同期，随着海森伯测不准原理、玻尔互补原理、量子叠加等核心观点的相继完善，物理学家终于构建起完整的量子力学体系。量子力学给了微观量子世界的概率性、叠加性、纠缠等基本特征以准确的数学表达，成为光量子信息技术的理论依托，为后续单光子操控、量子相干调控、量子纠缠制备等技术研究提供了基本的物理准则。

量子力学与场论的结合导致量子场论的建立。早期量子场论存在紫外发散、理论精度不足等问题，无法精准解释微观量子电动力学效应。1947年至1949年，费曼、施温格、朝永振一郎等物理学家联合提出了重正化理论，有效解决了量子场论的发散难题，从而构建起完整、自洽的量子电动力学(QED)体系。量子电动力学是目前人类物理学史上精度最高的理论体系，其对电子反常磁矩的理论计算结果与实验测量的吻合精度达到10-12量级[16]。然而，QED的完整形式涉及虚粒子对的产生与湮灭、重正化等复杂机制，对于光量子技术所关注的低能(eV量级)、非相对论条件下的光—原子相互作用，这些高能自由度的贡献可以被系统地积分掉。因而一个更为简洁的低能有效理论，更能适应光量子技术的理论计算和工程化应用。

在QED体系建立之后，量子光学作为一门独立学科的理论框架也逐步成型。作为QED在低能和非相对论情形下的有效理论，量子光学在保留QED核心物理内涵——真空涨落、自发辐射、光子量子化——的同时，将理论计算的复杂度降低了数个量级，使得物理学家能够解析或半解析地研究开放量子系统、光场统计特性、非线性光学等丰富现象。1956年，Robert Hanbury Brown和Richard Q. Twiss (HBT)在实验中发现了光子强度涨落的关联效应，首次揭示了光子的二阶统计特性[17]；这一现象无法用经典一阶干涉理论完全涵盖，从而推动物理学家建立更普适的光场相干性理论。1963年，Roy J. Glauber发表了一系列开创性论文，系统建立了量子光学相干性理论，奠定了量子光学的理论基础[18]。量子相干性理论预言了反聚束、亚泊松光子统计、压缩态等一系列非经典光场效应——这些效应无法用经典电磁波理论解释，而今已成为区分经典光与量子光的重要判据，为后续光量子特性的实验验证指明了方向。Glauber等也因此荣获2005年诺贝尔物理学奖。正是这一理论框架的简洁性与可计算性，使得量子光学不仅是QED在低能区的“近似版本”，更成为一门具有独立方法论和技术体系的学科，持续为激光物理、量子信息、量子计量等领域提供直接的理论支撑，推动光量子技术的快速落地和光量子概念的深入理解。

2.4 光量子特性的实验验证

光量子理论框架的逐步完善，离不开一系列经典实验的验证和支持。这些技术的发展和进步，为人工操控光量子态、开发量子信息技术奠定了实验基础。1909年，杰弗里·泰勒用烟熏玻璃把光源衰减到极弱，使得装置内平均每次只有一个光子量级的能量通过，成功观察到干涉图样。泰勒的实验是历史上首个弱光干涉实验，被后世视为单光子层级干涉的先驱性工作[19]。1956年，HBT实验开创了光子的强度干涉测量方法，为非经典光场效应的实验判别提供了统计方法基础。1977年，H. Jeff Kimble、Mario Dagenais 和 Leonard Mandel利用钠原子束的共振荧光，首次在实验中观测到光子反聚束效应[20]：在零延迟时二阶相干度小于1，即两个光子几乎不可能同时被探测到。反聚束是第一个无法用经典电磁波理论解释的纯粹量子光学效应，标志着非经典光场的首次实验确认。1985年，Slusher、Hollberg、Yurke等利用钠原子束中的四波混频过程，首次在实验中观测到光场的压缩态[21]。压缩态是继反聚束之后又一典型非经典光场效应，现已成为突破标准量子极限、实现量子精密测量(如引力波探测LIGO)的重要量子资源。1986年，Philippe Grangier、Gérard Roger 和 Alain Aspect利用钙原子级联辐射作为预告式单光子源，在同一实验中同时证明了光子的反聚束特性和单光子干涉特性[22]。这是首次在严格单光子条件下同时验证波粒二象性的实验，标志着单光子量子相干性的确立。1987年，Chung Ki Hong、Zhe-Yu Ou和Leonard Mandel利用自发参量下转换产生的光子对进行观测时发现：当两个不可区分光子同时到达分束器时，符合计数降为零，两光子总是从同一输出端出射[23]。这一双光子相消干涉现象也被称为Hong—Ou—Mandel (HOM)效应，是双光子量子相干性的标志性实验，现已成为单光子源品质鉴定和线性光学量子计算的核心工具。后续的基于光子操控的Wheeler延迟选择实验[24]、量子擦除实验[25]等经典实验，进一步验证了观测效应与互补性原理，完善了波粒二象性的物理内涵。这一系列实验证明，光子具备高度可控的量子属性，是理解和探索量子规律最方便、最有效的物理载体之一。光量子调控技术的发展，为后续单光子器件研发、量子态编码、量子纠缠调控、量子信息处理的发展提供了充分的技术储备。

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光量子技术更迭与产业化

21世纪以来，光量子科技进入技术爆发期，正大步走在从原理验证到产业化落地的快速发展道路上。经过多年的技术积累和攻关，我们已经在激光技术、单光子源、量子纠缠调控、量子密钥分发、光量子计算与模拟、光量子存储等多个方面取得突破。特别是近年来，随着微纳加工工艺、激光直写等集成技术的成熟，光量子技术快速向小型化、集成化的方向演进，已经渐渐在信息安全、超级算力、基础物理研究、精密传感测量等领域展现出了巨大应用价值。

3.1 激光技术

激光是光量子技术落地的核心工具，其物理本质源于量子受激辐射效应。1917年，爱因斯坦率先提出受激辐射量子理论，从微观层面阐释光子受激放大的物理机制，奠定了激光技术的理论基础[26]。1954年，微波激射器研制成功，首次验证了受激辐射放大的物理可行性[27]；1958年，科学家正式提出可见光波段激光的实现方案，明确了激光产生的技术路径[28]。1960年，美国研制出全球首台红宝石激光器[29]。激光凭借高单色性、高相干性、高亮度的独特优势，彻底革新了光学研究与应用格局，成为单光子制备、量子态精准调控、非线性光学的核心基础技术。

我国激光技术发展起步与国际基本同步，1961年邓锡铭、王之江科研团队成功研制国内首台红宝石激光器，使中国成为全球较早自主掌握激光技术的国家之一[7]。历经六十余年的努力，我国先后攻克各项核心技术，实现了激光器件的小型化、高稳定性、商用化，使得其广泛应用于精密加工、科研实验、通信传输等领域，也为我国后续光量子领域的赶超式发展筑牢了坚实的硬件与技术根基。

3.2 单光子源技术

单光子源就是能够按需产生单个光子的器件，是光量子信息处理的核心基础器件，直接决定量子系统的稳定性与实用性。一个理想的单光子源应该满足：每次能够确定性地产生在频率、相位、偏振、空间模式等方面完全相同的光子。

单光子源技术历经多次迭代更新。1974年，约翰·克劳泽利用汞原子开展了早期光子级联辐射实验，为预告式单光子源的发展奠定了实验基础[30]。然而，这种原子级联跃迁单光子源存在效率低、稳定性差、难以集成等缺点，限制了其实际应用。1980年代中后期，自发参量下转换(SPDC)技术的成熟为单光子源的发展带来了革命性突破[22]。SPDC是一种非线性光学过程，当一束强激光(泵浦光)通过非线性晶体时，会以极低概率产生一对光子(信号光和闲置光)。通过检测其中一个光子(闲置光子)，可以预示另一个光子(信号光子)的存在。SPDC技术凭借稳定性高、操控简便、相干性优良的优势，长期成为量子实验室的主流光源方案，但该方案仍属于概率性发射，无法满足大规模实用化需求。

21世纪以来，单光子源朝着固态化、集成化、通信波段适配方向快速发展。量子点[31]、金刚石NV色心[32]等固态光源方案逐步成熟，这些固态光源能实现室温稳定的确定性单光子发射，可以解决SPDC概率性发射的效率瓶颈[33]。国内科研团队持续攻坚，先后攻克金刚石单光子源、半导体量子点单光子源核心技术，部分核心性能指标达到国际领先水平。近年来，单光子源技术更是迈入集成化和产业探索阶段[34]。2025年国内团队实现了半导体量子点与薄膜铌酸锂混合集成单光子芯片，克服了传统分立光源体积庞大、难以规模化集成的难点[35]；2026年，德国团队首次在通信波段同时实现按需发射和高不可区分性的确定性单光子源，推动单光子源与现有光纤通信网络的无缝融合[36]。

3.3 光子纠缠技术

量子纠缠是量子力学最神奇的特性之一，爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。量子纠缠揭示的非局域量子特性，是实现多种量子信息任务的核心量子资源。1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森(EPR)在《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的？》一文中提出EPR佯谬[37]，揭示了经典物理局域实在论与量子力学非局域特性的核心矛盾。EPR佯谬引发了学界对“量子力学完备性”的长期探讨。1964年贝尔不等式的提出，为量子非局域性的实验验证提供了可量化的判定依据，终结了长期的理论思辨[38]。1982年阿斯佩团队成功验证了贝尔不等式的违背，从实验层面直接证实量子纠缠的非局域量子特性，为整个量子信息科技体系奠定了实验基础[39]。

2000年以后，随着量子信息科学技术的迅速发展，多光子纠缠、高维纠缠、长距离纠缠分发成为技术研究的热点，我国科研团队在多个方向上长期保持全球领跑地位。2004年，潘建伟团队实现五光子纠缠与量子隐形传态，刷新当时国际纪录[40]；2010年郭光灿团队成功实现八光子纠缠，再次突破国际极限[41]。在高维纠缠领域，国内团队先后完成三维量子隐形传态[42]、32维高保真量子纠缠制备[43]，将量子信息编码维度与信道容量大幅提升，有效拓展了量子比特的信息传输能力。在组网应用层面，2017年“墨子号”量子科学实验卫星成功实现千公里级的星地双向量子纠缠分发，为未来构建天地一体化纠缠分发体系提供了实验依据[44]；2026年国内团队研制出可扩展量子中继模块，实现长距离量子纠缠的存储与可控转发，为全球量子互联网建设提供了中国方案(图4)[45]。

图4 我国学者在中国科学技术大学(USTC)与合肥国家实验室(HFNL)间利用商业光纤(中国联通)实现了14.5 km的纠缠分发，制备得到保真度为78.6%±2.0%的贝尔态，并首次在城域尺度量子中继系统中完成贝尔非定域性的实验验证。本架构无需对光纤信道做相位稳定处理，即可实现量子节点自主运行，为构建可规模化量子中继网络提供了一套实用化技术框架[45]

3.4 量子密钥分发

1982年，Wootters和Zurek在研究量子态克隆时发现，量子态的叠加原理和幺正演化特性会使得未知的量子态不可克隆[46]。量子不可克隆定理可以在理论层面确保了量子密钥的安全性，从而实现无条件安全的信息加密传输。量子密钥分发(QKD)是光量子领域最早实现工程化、产业化落地的方向之一。1984年BB84协议的提出，标志着量子密码学与QKD技术正式诞生，为量子安全通信提供了标准化技术框架[47]；1989年首个32 cm短距离QKD实验成功，验证了协议的物理可行性[48]。

我国量子密码研究起步于1995年[49]，历经三十年持续攻坚，实现了从零基础跟跑到全面并跑、领跑的跨越式发展。2004年，中国首个城际级(北京—天津)实用化光纤量子密钥分发由中国科学技术大学郭光灿团队完成，标志着国内量子密码技术从实验室短距离原理演示，正式迈入城际工程化验证阶段[50]。2005年，华人科学家提出诱骗态优化方案，解决传统弱相干光源的光子数分裂攻击的漏洞，大幅提升QKD系统的安全性与实用化水平，使其成为目前商用QKD系统的核心标准方案[51，52]。2007年，国内团队实现百公里级光纤QKD稳定传输，突破短距离实验局限[53]；2009年全球首个芜湖量子政务网建成试运行，标志我国量子保密通信正式开启产业化试点应用[54]；2012年合肥建成首个城市级规模化城域量子通信网，实现量子技术的规模化组网落地[55]。

2016年以后，我国量子通信产业迎来重要节点。“墨子号”量子卫星的发射，不仅彰显了国家 对量子科技发展的高度重视，也预示着在新时代下，我们能够充分利用制度优势聚合资源，实现天—地协同的超级量子工程[56，57]。近年来，长距离无中继QKD技术持续突破，韩正甫团队实现833公里无中继安全传输[58]，中科大联合清华团队创下1002公里光纤无中继QKD世界纪录，彻底突破传统光电中继组网的安全局限[59]。同时，集成光子学QKD技术快速成熟，硅光、薄膜铌酸锂集成QKD系统也渐渐实现小型化、低功耗的技术突破，有效解决了传统设备体积庞大、稳定性差、成本高昂的缺点[60，61]。这些都为未来大规模民用组网奠定了实验基础。我国已建成全球规模最大、技术体系完备、产业链完整性领先的量子保密通信产业体系。

3.5 光量子计算与模拟

光量子计算凭借其室温运行、低噪声、高并行性等优势，是通用量子计算最具潜力的实现路径之一。2000年Knill—Laflamme—Milburn提出的KLM线性光学量子计算框架，从理论上严格证明了光学体系实现通用量子计算的可行性，奠定了光量子计算的理论基础[62]。2010年玻色采样算法问世，为量子计算优越性的实验验证提供了可行方案。玻色采样算法的计算复杂度随光子数指数增长，是经典超级计算机无法有效计算的经典难题[63]。

近十年以来，我国在光量子计算技术上实现快速突破，持续刷新全球光量子操控的纪录。2020年，潘建伟、陆朝阳团队研制的“九章一号”量子计算原型机实现了76个光子的玻色采样算法[64]。2026年迭代升级的“九章四号”原型机，实现了1024个压缩态在8176个模式中的高斯玻色采样，大幅提升了光量子态操控的规模[65]。这些都充分彰显了我国在操控光量子态上的技术优势。虽然由于系统本身的特性，目前光量子计算的优势只能集中在与玻色采样相关的计算任务上，但是它还是可以作为专用型的量子计算平台适配到各种复杂的经典和量子计算任务中去。

图5 在光学谐振器中，耦合光子轨道角动量自由度实现等效晶格模型的实验示意图 (a)实验装置；(b)耦合模型(红色和蓝色球分别代表特定轨道角动量的左旋和右旋光子态，它们通过腔内的Q板和波片耦合)[69]

光量子模拟是光量子技术赋能基础物理研究的核心方向[66]。依托光子频率、偏振、轨道角动量、波导模式等丰富的人工自由度，光量子可以用来构建可控的人工合成晶格，模拟经典计算机无法求解的拓扑物态、强关联物理、高能规范场等前沿物理难题。2015年，学界先后提出光子轨道角动量、频率维度人工模拟方案，开创了高维拓扑光子模拟的新方向(图5)[67—70]；2025年，范汕洄团队基于合成频率维度成功模拟非阿贝尔规范场，为高能物理、量子场论与基本相互作用研究提供了全新的实验仿真平台[71]。集成光量子芯片技术的快速成熟，进一步推动量子模拟向可编程、小型化的方向发展，为基础物理前沿突破提供了全新技术手段。

3.6 光量子存储

光子凭借传输速度快、相干性好、抗干扰能力强等优势，是量子信息传输的理想载体。然而，光子在光纤传输中容易发生损耗，同时在分布式光量子计算中，对不同网络节点的时序同步提出了很强的要求。为了克服这些问题，光量子存储作为“量子缓存单元”应运而生。光量子存储器可以实现光子量子态的可控写入、存储与读出，是远距离量子组网与分布式量子计算的核心器件，直接影响了量子网络的传输距离与组网规模。历经数十年技术攻关升级，光量子存储逐步形成原子系综、稀土掺杂固态晶体、片上集成存储三大主流技术体系，各技术路线优势互补、协同发展[72]。

冷原子系综因其操控手段丰富、退相干机制简单，一直是国际量子存储研究的主流技术路线之一[73]。2001年，Hau团队演示了基于电磁感应透明(EIT)的弱光脉冲存储[74]。早期原子系综量子存储仅能实现微秒级短时存储，且对实验环境要求严苛，稳定性差，仅可完成基础原理验证。2009年，美国佐治亚理工学院Kuzmich团队基于冷铷原子系综，实现存储效率37%、相干时间超10 ms的DLCZ量子存储，首次将冷原子存储的相干时间提升至毫秒量级[75]。2016年5月，中国科学技术大学潘建伟和包小辉团队发展了三维光晶格限制原子运动等关键技术，将存储寿命延长至0.22 s，读出效率达76%，在国际上首次实现了百毫秒级高效量子存储器，较此前水平提升了近两个数量级[76]。2024年4月，清华大学团队构建了具有72个光量子存储单元的超大规模多用途量子存储器，存储时间超过500 µs，并实现了1000次光量子比特操作，超过当时世界纪录的近100倍[77]。这些进展都标志着国内在冷原子量子存储的多项核心指标已处于国际最前沿。

此外，利用光子的轨道角动量(OAM)可以编码高维量子态，是扩展量子网络信道容量的重要路径。2015年，中国科学技术大学史保森团队首次实现OAM纠缠态的量子存储[78]，保真度高达90.3%±0.8%。2023年，该团队继续在冷原子系综中，以“完美涡旋光”为载体，成功实现了25维量子态的高效率存储，效率达到60%，并展现出对任意可编程量子态的兼容能力(图6)[79]。

图6 原子频率梳(AFC)存储器(a)与无噪声光子回波(NLPE)存储器(b)的原理示意图。在AFC存储中，输入光子被原子频率梳吸收，再施加两个控制脉冲(π1与π2)实现自旋波存储，从而达成按需读取并延长存储时间。在NLPE存储中，经四个相位重聚控制π脉冲(C1、C2、C3、C4)作用后，无噪声回波在与输入相同的光学跃迁上被读出。NLPE在保留传统光子回波“充分利用晶体吸收”优势的同时消除自发辐射噪声，能大幅度提升输出信号的信噪比和存储效率，更适配可搬运长时量子存储材料[79]

近年来，固态存储逐步成为国际研究热点。稀土离子掺杂晶体凭借超长相干时间(151Eu3+可达小时级)和非均匀展宽(数GHz量级)提供的多模容量，构成了固态量子存储的独特优势[80]。2024年，中国科学技术大学李传锋、周宗权团队基于自主加工的器件，实现了原创的“无噪声光子回波”(NLPE)自旋波存储方案，量子比特的自旋波存储保真度高达94.9%±1.2%，远超出经典器件极限[81]。2025年，团队又进一步通过施加射频磁场实现对铕离子核自旋跃迁的动力学解耦控制，将自旋波量子存储寿命从10微秒级延长至毫秒级[82]。这些进展，均标志着中国在可集成固态存储领域迈出了关键一步。

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发展总结与未来展望

回望光量子百年的发展历程，光量子理论革新了人类对光与微观世界的认知，为现代量子信息科技发展筑牢了理论根基。经过多年的技术发展和产业化实践，目前光量子技术已在信息安全、超级算力、基础科研等多个领域展现了不可替代 的核心价值。在全球科技激烈竞争的形势下，我国光量子理论和技术从空白起步，经过几代科学家的自主创新和技术攻关，打破了国外的技术垄断。近年来，我国更是在量子通信、光量子计算、长距离量子传输与量子存储等领域实现从跟跑到领跑的转变，书写了后发赶超、自立自强的典范。

面向未来科技发展趋势，光量子科技将持续朝着集成化、网络化、产业化等方向迅速推进。在器件层面，集成光量子芯片的发展，有望逐步替代传统分立光学器件，实现量子器件的小型化，从而克服传统系统体积庞大、稳定性差的缺点。在组网层面，随着量子存储、量子中继技术的成熟，我们将逐步建成高质量的量子互联网络，实现量子通信全覆盖，从而推动全球信息安全体系的升级与变革。在计量与传感层面，光子的量子特性也为精密测量领域带来革命性突破[83]，将在生物医学成像[84]、高灵敏信号探测、资源勘探、地质监测[85]等领域展现出广阔的产业化前景，从而与量子通信、量子计算共同构成光量子科技产业的三足鼎立之势。在科研层面，随着可容错光量子计算机的逐步落地，我们将在新材料、新药物的研发、气象预测、基础物理探索等重点领域迎来强有力的算力支持。这些进展也会推动多学科的深度交叉创新，为新一轮科技革命和产业升级提供核心驱动力。

光量子科技的探索之路没有终点。从牛顿、惠更斯的经典论战，到普朗克、爱因斯坦的量子思辨，先贤们理性探索光本质的精神火种，仍在指引着当代科研工作者砥砺前行。从《墨经》的古典光学智慧，到新时代的量子科技领跑，中华民族对光本质的探索更是跨越千年。中国科研团队也将继续深耕量子领域，以自主创新突破技术壁垒，以科技实力赋能民族复兴，让百年量子之光，持续照亮人类探索未知的前行之路。

致 谢本论文部分配图和原始材料是在国内AI大模型豆包、DeepSeek等协助下完成的，在此一并表示感谢。

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