中国科大建立星汉二号多模式量子中继并实现城域量子非局域性检验
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近日，我校郭光灿院士团队在量子网络领域取得原创性成果。该团队李传锋、周宗权、黄运锋等提出新型量子中继方案，并在合肥市成功建成“星汉二号”多模式量子中继，首次实现城域量子中继的量子非局域性检验。该成果5月7日在线发表于国际知名学术期刊《自然·光子学》。
图1 “星汉二号”多模式量子中继艺术示意图：跨越城市的量子存储纠缠。
量子中继是构建未来量子互联网的关键技术，其原理是将长距离信道分解为多段短程链路，分段建立量子存储的纠缠后再连接，从而克服光纤信道中的指数级损耗。此前，量子中继协议主要分为单光子干涉和双光子干涉两类：前者仅需在中间站探测到一个光子，速率较高，但对信道相位抖动敏感，保真度受限；后者需同时探测到一对光子，保真度高但速率低。这一速率与保真度之间的权衡，成为制约量子中继性能与应用的根本矛盾。
为解决这一两难困境，团队提出基于时间测量的多模式量子中继方案（MQR-TM）。该方案不再要求一对光子同时到达中间站点，而是允许它们“一先一后”到达，通过精确测量其时间差来预报纠缠，并借助多模式量子存储实现任意延时纠缠光子的按需读取。该方案成功结合了单光子干涉的高速率和双光子干涉的高保真度优势，支持高速率、高保真的纠缠分发，且无需光纤相位锁定，可直接兼容现有光纤网络基础设施。
图2 “星汉二号”多模式量子中继，实现相距14.5公里的量子存储纠缠。
依托这一原创方案，团队在合肥市建立“星汉二号”多模式量子中继光纤网络（图2）。网络包含三个站点：中国科大与合肥国家实验室各部署一个基于掺铕硅酸钇晶体的量子存储器；中间站点（中国联通机房）执行光子的探测与预报。根据中间站点的预报信号，量子存储站点执行本地量子门操作，从而实现确定性的目标纠缠态分发。该系统实现了1205个模式的时分复用，城域量子纠缠分发速率达到0.94 Hz。纠缠保真度达78.6%，首次在城域量子中继上实现量子非局域性的实验检验。两个量子存储器的直线距离达14.5公里，是迄今报道的最远直线间距的量子存储纠缠（图3）。
图3 量子存储直线间距与纠缠保真度性能对比，红框圈出的是本成果。
该成果提出原创理论方案解决了量子中继协议中长期存在的速率与保真度之间的矛盾，并实现了城域量子中继的量子非局域性检验。这一工作标志着团队此前发布的“星汉一号”多模式量子中继[Nature 594, 41 (2021)]从实验室原理验证推进到城市网络环境中的应用展示，彰显出多模式复用技术有望与经典网络中的时分复用一样，成为未来量子网络的根本性技术路线。
审稿人对此给予高度评价：“……核心贡献是提出MQR-TM方案，解决量子中继协议中长期存在的速率-保真度矛盾难题。这是城域量子中继中首次实现量子非局域性检验……而且无需相位锁定。这种相位抖动不敏感的架构展现了该工作的系统级价值。”
朱天翔副研究员、张超特任教授和博士研究生欧忠文为论文共同第一作者。研究工作得到了合肥国家实验室、国家自然科学基金委以及中国科学院的资助。周宗权得到中国科学院青年创新促进会优秀会员的资助。专线光缆的铺设得到了中国联通安徽省分公司的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-026-01911-5
（量子网络安徽省重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）
本文链接：http://knowith.com/news-3-5841.html中国科大建立星汉二号多模式量子中继并实现城域量子非局域性检验
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