赢了哈佛！中国科大构建国际首个基于纠缠的城域量子网络

量子互联网是由多个量子计算机或其他量子器件组成的广大网络，核心功能是能完全实现任意节点之间的量子信息传递，从而开启全量子信息处理的新时代。其主要应用集中在国家安全、金融安全及其他高度依赖安全通信的领域，代表性技术是量子密钥分发（QKD）。此外，利用量子互联网还有望实现全新传感技术，在军事国防中有很大应用潜力。

美国意识到了量子互联网的重大战略意义，早在2020年就率先在政府层面出台了相关规划。美国发布《美国量子网络的战略构想》，明确了构建世界首个量子互联网的愿景目标，并提出未来20年内，推动量子互联网链路利用网络化量子设备实现经典技术无法实现的新功能。

不过，在中美此次针对量子互联网研发的学术PK中，美国输了！

中国科学技术大学潘建伟、包小辉、张强等首次采用单光子干涉在独立存储节点间建立纠缠，并以此为基础构建了国际首个基于纠缠的城域三节点量子网络。该工作使得现实量子纠缠网络的距离由以往的几十米整整提升了三个数量级至几十公里，为后续开展盲量子计算、分布式量子计算、量子增强长基线干涉等量子网络应用奠定了科学与技术基础。相关研究成果于5月15日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07308-0

研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院、安徽省等的支持。

无巧不成书，《自然》杂志同期发表了美国哈佛大学Lukin团队的相关实验进展。该团队首次在SiV色心体系实现了双节点远距离纠缠。二者相比，中国科大成果在纠缠效率方面具有明显优势，比哈佛大学的工作高两个数量级以上。

量子网络与经典网络不同，通过节点间的量子信息存储和处理以及纠缠态的共享连接。这种纠缠的非局域性为多种创新应用提供了可能，包括量子密码学、分布式量子计算和增强传感等。

量子网络的核心是相邻量子节点间的预示纠缠，这一技术已在多种物理平台上得到验证，包括原子集合、单原子、金刚石氮空位中心、捕获离子、稀土掺杂晶体和量子点等。目前，实现的最大预示纠缠物理分离距离为1.3公里。在此基础上，实验室规模的三节点量子网络原语的建立为多用户应用提供了新机会，例如创建三体纠缠的GHZ状态、两个基本链接间的纠缠交换和非相邻节点间的量子比特隐形传态。

量子网络扩展到大都市规模的挑战在于结合低光纤传输损耗、独立量子节点和可扩展的网络架构等要求。量子频率转换（QFC）技术的进步使得在高传输损耗波长下运行的平台能够以最小损耗接入光纤网络，这促进了在几公里光纤上分布局部光-物质纠缠的研究。两个实验性演示通过长光纤链接实现了两个量子节点间的纠缠，一个是使用两个单原子和33公里光纤，另一个是使用两个原子集合和50公里光纤。然而，这些实验中的纠缠生成速率较低，且在非独立节点间产生，引发了对大规模和多用户场景可扩展性的担忧。

目前，在中科大最新发表的论文中，这些问题有了解决。

由前文可知，通过量子态的远程传输来构建量子网络是大尺度量子信息处理的基本要素。基于量子网络，可以实现广域量子密钥分发以及分布式量子计算和量子传感，构成未来“量子互联网”的技术基础。

目前，基于单光子传输的量子密钥网络已发展成熟，而面向分布式量子计算、分布式量子传感等进一步量子网络应用，需要采用量子中继技术在远距离量子存储器间构建量子纠缠，在此基础上通过广域量子隐形传态将各个量子信息处理节点连接起来。

为在远距离分离的独立量子存储器间建立纠缠，主要挑战在于如何控制单光子相位。在论文中，潘建伟团队设计并发展了一套非常精巧的相位控制方案：首先通过超稳腔稳频来压制控制激光线宽，其次通过光锁相环来构建读写激光间的相位关联，最后通过远程分时相位比对来构建两节点间的相位关联。

图1|弱场相位和频率稳定化。a，相位稳定方法的原理图和时间序列。我们通过干扰纠缠产生设备上的两个相位探测脉冲来探测两个节点的相位差。一个现场可编程门阵列（FPGA）提取相位差，并将反馈应用于电光调制器（EOM）。在每次试验中，相位探针脉冲在写入过程之前发送，确保间 隙为τΔ= 5 μs，以减少单光子雪崩二极管（SNSPDs）的后脉冲样噪声。每个相位探针脉冲持续 τpp=为4 μs，并在到达分束器时包含大约40个光子。反馈最多需要2个μs。在实际 应用中，为了获得更好的相位稳定性能，探测-反馈过程执行了两次。b，相稳定性的表征。这两 个直方图显示了执行相位稳定化（橙色）和未执行（蓝色）时检测到的相位分布。c，相位探测脉冲的干涉可见度作为两个节点之间频率差的函数。粉色数据点显示了在故意改变频率差时可见度的变化。红线是±5千赫兹内数据点的线性拟合。两个内嵌的直方图显示了在120秒时间间隔内两个SNSPDs（D1和D2）的计数分布，相应的数据点被突出显示。d，76小时内激光漂移的跟踪。绿色曲线显示了补偿后检测到的频率差。橙色曲线显示了补偿值，它近似于原始的激光漂移。我们以蓝色绘制了Bob的温度，它与激光漂移有很强的相关性。

图2|一对遥远节点之间的纠缠。a，纠缠验证的实验设置。在每个节点中，一个弱纠缠探测（EP）脉冲，它与读出场具有相同的频率和轮廓，但呈正交极化，有助于验证过程。我们使用PBS（偏振分束器）结合纠缠探测脉冲和读出场，在每个节点进行偏振测量，并通过分析两个节点之间的相关性来检测远程纠缠（见正文）。b，测量的相关函数g(2)（Hong-Ou-Mandel实验的结果）作为读出场和纠缠探测脉冲失谐的函数。橙色线显示了高斯拟合，黑色虚线指示了热相干干涉极限（见补充信息以获取更多细节）。c，d，存储5微秒后∣Ψ+pp⟩（c）和∣Ψ−pp⟩（d）的重建密度矩阵。f，g，存储107微秒后∣Ψ+pp⟩（f）和∣Ψ−pp⟩（g）的重建密度矩阵。在密度矩阵图中，蓝色条是读出场的层析成像，透明条是通过扣除检索和检测期间的损耗得到的原子态的层析成像。e，h，∣ΨPM+E⟩（e）和∣ΨPM−E⟩（h）的相关性测量。蓝色和橙色条分别是5微秒和107微秒存储情况的结果。透明条是理论相关器。误差条代表一个标准偏差。

采用以上相位控制技术，并利用量子频率转换，团队成功实现了相距十几千米远的量子存储器之间的纠缠。以此为基础，他们构建了国际上首个城域三节点量子纠缠网络，该网络可以在任意两个量子存储器节点间建立纠缠。

具体来说，在这项工作中，研究人员展示了一个基于纠缠的大都市区域量子网络的实现。利用这个设备，研究人员成功地演示了两个相距12.5公里的量子节点之间产生的远程纠缠，其存储时间比往返通信时间更长。研究人员还展示了在网络内同时发生成多个纠缠对。在网络中的高纠缠率是由单光子方案实现的 ，该方案提供了与χη（χ是单光子概率，η是机械透射率）成正比的纠缠率，优于双光子方案 (χ2η)和串联网络方案( χ η )的纠缠率 . 研究人员使用一系列的方法来克服了单光子方案中的技术挑战，其中两种方法是至关重要的。

首先，远程相位稳定为实现单光子方案提供了基础。此外，它还提供了一个灵活和可扩展的网络基础设施，可以在大都市区内容纳更多的量子节点。其次，弱场方法简化了远程Fock基纠缠的验证。它消除了干扰两个远程Fock基光子的必要性，而是只要求进行局部的线性光学操作和测量。此外，利用该方法可以有效地将Fock基纠缠转换为极化最大纠缠态，使基于纠缠的通信成为可能。这些方法保证了我们的网络在更大规模和更复杂的拓扑结构上的可扩展性。将这些方法适应于其他物理平台上将加速它们的网络化过程。

最终，这项研究表明使得现实量子纠缠网络的距离由几十米提升至几十公里，为后续开展分布式量子计算、分布式量子传感等量子网络应用奠定基础。《自然》杂志审稿人对此给予高度评价，认为“他们的成果开启了量子互联网研究的新篇章”，“为未来大规模量子网络铺平了道路”。

同日，在5月15日，哈佛大学也在《自然》杂志发表论文。哈佛大学的物理学家利用波士顿地区现有的电信光纤，展示了两个量子存储节点之间世界上最长的光纤距离。这一成就展示了两点之间基于光子的安全互联网。

哈佛大学团队展示的双节点量子网络

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07252-z

这项研究由Mikhail Lukin、Marko Loncar 和 Hongkun Park领导，发表在《Nature》杂志上，研究涉及在穿过剑桥、萨默维尔、沃特敦和波士顿的22英里环路上纠缠两个量子存储节点。这些节点位于哈佛大学综合科学与工程实验室的一层楼内。

哈佛大学Lukin团队的相关实验人员认为，量子存储器对于互连量子计算至关重要，可实现复杂的网络操作和信息存储。哈佛团队的网络是可以存储、处理和移动信息的设备之间最长的网络。每个节点都是一台小型量子计算机，利用金刚石内的SiV色心来增强光相互作用。

这些中心包含两个量子比特：用于通信的电子自旋和用于记忆的核自旋。这些设备安装在 -459 华氏度的单元中，可以捕获、存储和纠缠量子信息位，解决信号丢失问题。

第一作者Can Knaut解释说，“由于光已经与第一个节点纠缠，它可以将这种纠缠转移到第二个节点。我们称之为光子介导的纠缠。”

研究人员在波士顿租用了光纤，这表明使用类似线路建立量子互联网的可行性。研究人员认为量子网络节点可以缠绕在非常繁忙的城市地区的现实世界环境中，是迈向量子计算机之间实际网络的重要一步。该团队正在努力通过添加节点和试验更多协议来扩展网络性能。

尽管该团队首次在SiV色心体系实现了双节点远距离纠缠，大大增强了量子计算机的实用性。但中国科大构建了国际上首个城域三节点量子纠缠网络，该网络可以在任意两个量子存储器节点间建立纠缠，开启了量子互联网研究的新篇章。因此，二者相比，中国科大成果在纠缠效率方面具有明显优势，比哈佛大学的工作高两个数量级以上。

量子互联网的研发需要各个国家之间的共同努力，此次中国科大与哈佛大学同时发文，不仅表明中美政府与学界研发量子互联网的积极热情并且取得了傲人的成绩，也让人期待未来大规模量子网络应用时代的真正到来。

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07308-0

[2]https://www.nature.com/articles/d41586-024-01445-2

[3]https://www.spacewar.com/reports/Simple_Quantum_Internet_Demonstrated_by_Harvard_Researchers_999.html