如何实现量子信息在光纤中安全传输上千公里？这是构建未来量子互联网必须攻克的核心技术难题。科学家们一直在探索更高效的光量子信号“接力”方案。近期，中国科学技术大学研究团队在《自然·光子学》期刊上发表了一项重要研究成果，提出了一种创新的量子中继新思路，并在安徽省合肥市成功构建了名为“星汉二号”的多模式量子中继实验网络。该成果首次实现了14.5公里直线距离的量子存储器纠缠，被国际学术界视为未来大规模量子网络的一条根本性技术路径。
“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。
问题的根源在于光纤传输的固有损耗。量子信号在光纤中传播时，其强度会随距离增加呈指数级衰减。一个典型的例子是，如果直接在1000公里的标准单模光纤中传输量子纠缠光子对，最终信号强度将衰减至初始值的万亿亿分之一。这意味着什么？即便以每秒100亿对的高速率发射纠缠光子，平均也需要等待超过300年才能成功接收到一对。因此，依赖直接传输构建长距离量子网络是完全不可行的。
为此，量子中继的概念应运而生。其核心思路非常巧妙：将漫长的传输链路分割为多个较短的区段，先在每个区段内建立量子存储器之间的纠缠关联，再通过操作将这些“短程纠缠”逐级连接起来，从而有效规避光纤损耗带来的根本性限制。然而，传统的量子中继协议自身也面临着一项关键的技术权衡。
传统量子中继方案的“速率与保真度”困境
目前主流的量子中继协议主要分为两类。第一类是“单光子干涉”方案，其优势在于仅需在中间节点探测到一个光子即可完成操作，因此纠缠分发速率相对较高。但其显著弱点是对光纤信道的相位波动极为敏感，环境中的任何微小扰动都可能导致最终的纠缠保真度大幅下降。
第二类是“双光子干涉”方案，它要求两个光子必须同时到达中间节点并被联合探测。这一机制使其具备强大的抗干扰能力，能够实现高保真度的纠缠。然而，两个光子恰好同时到达的概率极低，这导致其纠缠分发速率非常缓慢。长期以来，研究人员不得不在“高速率”和“高保真度”之间做出艰难取舍。
创新突破：基于时间测量的异步到达方案
为了破解这一两难困境，中国科大团队提出了一种基于时间测量的多模式量子中继新方案。该方案的核心创新在于，它不再强制要求两个光子“同时”到达中间节点，而是允许它们以“一先一后”的异步方式抵达。
研究团队通过精确测量两个光子到达的时间差，并将这一时间信息反馈给链路两端的量子存储器。结合多模式量子存储技术，系统能够实现对具有任意延时特性的纠缠光子的“按需读取”与操控。
该研究的负责人之一、中国科学技术大学物理学院周宗权教授阐释道，允许异步到达极大地提高了成功探测到一对光子的概率，从而显著提升了纠缠分发速率。同时，两个光子到达的时间差仅在微秒量级，在这极短的时间内，城市光纤的相位尚未发生显著抖动，因此能够有效保障纠缠的高保真度。这一方案巧妙地绕过了传统方法的内在瓶颈。
“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。
从实验室到城域网络：“星汉二号”的实地验证
理论需要实践检验。基于上述创新方案，研究团队在合肥市实地部署并运行了“星汉二号”多模式量子中继光纤网络。该网络包含三个关键节点：两个量子存储器分别部署在中国科学技术大学校园和合肥国家实验室，中间站点则设置在中国联通的通信机房，负责执行核心的光子探测与预报任务。
最终，实验成功在两个量子存储器之间建立了直线距离达14.5公里的量子纠缠。这一距离创造了量子存储纠缠最远直线间隔的世界纪录。实验数据结果令人鼓舞：系统的城域量子纠缠分发速率达到0.94赫兹，比此前国际最高水平提升了超过一百倍。更为关键的是，纠缠保真度达到了78.6%，研究团队首次在城域距离上完成了对量子非局域性的实验验证。
应对现实挑战：复杂环境与系统独立性
从受控的实验室环境迈向真实的城市光纤网络，面临着全方位的挑战。周宗权教授指出，城市环境复杂多变，道路施工、地铁运行等因素都会对地下光纤的稳定性产生扰动。此外，当两个节点相距十几公里时，它们已无法共享同一套精密的激光器和电子控制系统。
团队的原创方案成功应对了这些挑战。它使得两个量子存储节点能够完全独立、异步地运行，无需对城市光纤链路进行苛刻且不稳定的相位锁定。这意味着，该量子中继系统有望在现有的、未经特殊改造的光纤通信基础设施上相对便捷地部署和应用，其工程实用性与可扩展性大大增强。
周宗权教授对此前景充满信心，他认为这种摆脱了复杂相位锁定需求的技术路径，有望发展成为未来量子网络的一种代表性实施方案。展望未来，团队计划将量子网络的覆盖范围从城域进一步扩展至城际乃至更远距离。同时，他们也在积极探索基于超长寿命可移动量子存储的技术，旨在实现移动节点的量子网络接入，为构建真正动态、灵活、实用的未来量子互联网奠定坚实的技术基础。
