半月談記者 戴威 何曦悅

想象兩枚骰子，一枚送到北京、一枚送到上海。遞送途中，去北京的骰子擲出“6”，去上海的即刻以“1”示人。這種不受距離影響的神奇“互動”，就是量子糾纏——量子世界最奇特的特性之一，也是構建未來量子網絡的基石。可量子信號天生脆弱，在光纖中傳輸會快速衰減。如何讓這等“神奇”經得住千里萬里的考驗，是全球科學家念茲在茲的難題。

近日，中國科學技術大學潘建偉團隊在國際權威學術期刊《自然》和《科學》上接連發表兩項研究成果，重新點燃科學界對可擴展量子網絡研究的熱情。沉寂多年的領域，何以重燃希望的光亮，潘建偉團隊究竟實現了什么？

量子聯網，為何需要“接力”？

為什么要探索量子網絡?理由其實很簡單。依靠量子糾纏，人類能夠實現經典通信難以達到的理論上無條件安全。這個網絡還能憑借量子精密測量實現高精度感知，通過量子計算實現信息的指數級加速處理，最終帶來人類對物質世界認知能力的革命性飛躍。而構建這一網絡的關鍵，就是讓量子糾纏實現遠距離高效分發。

理想很美好，現實卻充滿挑戰。量子糾纏的最大弱點，就是極度脆弱。在光纖中傳輸時，量子信號會因光纖固有損耗不斷衰減，傳輸效率隨距離呈指數級下降。一組數據足以說明這種衰減的可怕：經過1000公里標準光纖直接傳輸后，光信號強度會衰減至原初水準的10的負20次方量級，也就是萬億億分之一。這意味著，即便每秒發射100億對糾纏光子，平均每300年才能接收到一對。這樣的傳輸效率，讓遠距離量子網絡成為空談。

量子網絡示意圖

有人要問了，像普通光信號那樣，沿線建“加油站”放大信號行不行?答案是否定的。常規的信號放大手段會直接破壞量子信號的糾纏態，此路不通。

鑒于此，科學家提出了一個巧妙的解決方案——量子中繼。這就像從北京到上海的長途旅程，不追求一次直達，而是拆分成北京到濟南、濟南到南京、南京到上海多段“短途”，每一段旅程都建立一對獨立的量子糾纏。假設北京到濟南的一對糾纏粒子是甲和乙，濟南到南京的一對是丙和丁，通過濟南的量子中繼器對乙和丙進行名為“糾纏交換”的操作，原本毫無關聯的甲和丁就能隨之建立糾纏關聯。一段段“接力”，就能讓量子糾纏跨越千里。

在短距離的光纖中傳輸，量子糾纏的損耗小得多了。例如經過100公里標準光纖直接傳輸后，保留下來的量子信號還有百分之一——這是目前可以接受的效率。不過，科學家很快發現，事情沒那么簡單……

新突破的關鍵是什么？

早在1998年，潘建偉及其同事就向國際學界首次演示了量子糾纏的連接。不過，有個難題此后近30年各國科學家都未能破解：糾纏的壽命遠遠短于建立糾纏所需的時間——在甲乙糾纏的存活時間里，丙丁糾纏根本來不及“出世”，也就無法實現有效連接。這一問題，嚴重制約了量子中繼的可擴展性。

三十年磨一劍。今年問世的最新成果，一大突破就在于，潘建偉團隊在國際上首次實現了長壽命量子糾纏——糾纏壽命達到550毫秒，顯著超過建立糾纏所需的450毫秒。量子糾纏的“存活時間”足夠支撐相鄰糾纏的建立與連接，可擴展量子中繼的基本模塊由此就能搭建起來。這就讓世人看到了遠距離量子網絡“落地”的曙光。

長壽命囚禁離子量子存儲器、高效率離子-光子通信接口、高保真度單光子糾纏協議……這些悉心打造的利器，共同保證一份傳輸效率實現質的飛躍的量子中繼方案成為現實：在1000公里光纖線路中每隔100公里設置一個中繼站點，通過糾纏交換連接各段糾纏，使用與直接傳輸相同發射速率的光源，每秒可接收到一億對糾纏光子，傳輸效率較直接傳輸提升了100億億倍!

籌劃遠距離糾纏分發有了底氣，一項與之密切相關的重要應用也在潘建偉團隊的探索中初露鋒芒——現實條件下最高安全等級的量子保密通信，即器件無關量子密鑰分發(DI-QKD)。

簡而言之，這一突破意味著量子保密通信不必費心精確標定器件參數來保障安全，只消通信雙方能建立經過驗證的高品質糾纏，就能嚴格保證密鑰分發的安全，國際同行稱之為“密碼學者千年來所追尋的‘圣杯’”。

依托可擴展量子中繼技術，潘建偉團隊成功實現了2個銣原子間的遠距離高保真糾纏——在最長達100公里的光纖鏈路上，原子節點間的遠程糾纏保真度仍保持在90%以上。在此基礎上，他們得以在11公里的城域尺度光纖鏈路上實現器件無關量子密鑰分發，傳輸距離較以往最好結果提升約3000倍;100公里光纖鏈路中密鑰生成也成為可能，傳輸距離較國際此前最好實驗水平提升兩個數量級以上。

量子網絡離我們有多遠？

透過潘建偉團隊的最新成果，我們能看到量子網絡在日常生活中鋪展開來的希望之光嗎？

科學界的評價是積極的。可擴展量子中繼基本模塊的構建，讓量子糾纏的遠距離“接力”變成了可規模化拓展的技術方案。我們可以構想千公里級乃至更遠距離的光纖量子網絡的模樣；器件無關量子密鑰分發傳輸距離突破百公里，讓這一“密碼學者千年來所追尋的‘圣杯’”不再囿于實驗室的短距離場景，接通城域乃至城際的實際應用有了可能。量子通信網絡的關鍵支撐，正一點點打磨成型。

而且，量子網絡的構建，涉及量子存儲器、光子接口、量子探測器、光纖傳輸等多個核心環節，新成果中所提出的長壽命囚禁離子量子存儲器等核心技術，將帶動相關核心器件的研發及產業化，推動我國量子通信產業從核心技術研發向工程化、實用化邁進。

當然，從實驗室的技術突破到實際的量子網絡應用，還有很長一段路要走。就像前面提到的，量子信號的脆弱性，使得一切相關應用的大規模普及，都面臨一系列高難度挑戰。種種日用場景實現“量子迭代”，目前還不能輕言樂觀。但是，這也給量子科學界極大的信心。求索量子網絡途中一系列看似不可能突破的障礙，或許，會等來手持創新鑰匙的通關人。

編輯：范鐘秀