北京时间2月3日和6日，中国科学技术大学（以下简称中国科大）教授潘建伟团队及其合作者在国际学术期刊《自然》和《科学》发表两项成果，在可扩展量子网络研究方面取得突破。他们在国际上首次构建出可扩展量子中继的基本模块，使得远距离量子网络成为现实可能；实现了单原子节点间的远距离高保真纠缠，并在此基础上首次将器件无关量子密钥分发的传输距离突破百公里，推进了该技术的实用化进程。

研究人员表示，这一突破是我国在量子通信与量子网络领域继“墨子号”量子卫星之后取得的又一里程碑式成果，标志着基于量子纠缠的光纤量子网络正在从理论构想走向现实可能，进一步扩大了我国在该领域的国际领先优势。

首次实现可扩展量子中继的基本模块

量子信息科学的终极发展目标是构建高效、安全的量子网络。构建量子网络的基本要素是远距离确定性量子纠缠分发，但目前构建量子网络的一大挑战，是光纤的固有损耗导致量子纠缠的传输效率随距离成指数衰减，经过1000公里标准光纤直接传输后，光信号将衰减至原始强度的万亿亿分之一。这意味着即使每秒发射100亿对纠缠光子，也需要平均每300年才能接收到一对纠缠。

量子网络示意图 本文图片由中国科大提供

为此，科学家提出量子中继方案。即在1000公里光纤线路中，每隔100公里设置一个中继站点，在相邻站点之间产生纠缠，再通过纠缠交换将各段连接起来，最终实现远距离的有效纠缠分发，传输效率可提升100亿亿倍。早在1998年，潘建伟及其同事就在国际上首次演示了量子纠缠的连接。

但是，近30年来始终未能解决的一项重大技术难题是：纠缠的寿命远远短于产生纠缠所需的时间，以至于在纠缠的存活时间内，与之相邻的纠缠难以确定性产生，因而无法实现纠缠的有效连接。

针对这一核心难题，中国科大研究团队与济南量子技术研究院、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、香港大学、清华大学等机构的研究人员合作，通过发展长寿命囚禁离子量子存储器、高效率离子-光子通信接口及高保真度单光子纠缠协议，在国际上首次实现长寿命量子纠缠，纠缠寿命达到550毫秒，显著超过纠缠建立所需的450毫秒，从而成功构建了可扩展量子中继的基本模块，使得远距离量子网络成为现实可能。

首次将设备无关量子密钥分发的距离突破百公里

远距离纠缠分发的一个直接应用是实现现实条件下最高安全等级的量子保密通信。基于纠缠的“器件无关量子密钥分发”（DI-QKD）方案被量子密码学的奠基人之一、沃尔夫奖获得者Gilles Brassard誉为“密码学者千年来所追寻的‘圣杯’”。该方案无需对器件参数进行精确标定，只要通信双方能够建立起足够高品质的纠缠、并验证无漏洞的贝尔不等式违背，就能严格保证密钥分发的安全。

然而，DI-QKD的实验实现面临极为严苛的技术门槛：远程节点间的量子纠缠需要具备极高的探测效率，以有效关闭探测器效率漏洞；同时维持极高的纠缠保真度，以确保对贝尔不等式足够显著的违背。受限于长距离光纤损耗及系统噪声等不利因素，国际上此前相关实验演示大多局限于数米至数百米范围，与实际应用需求存在显著差距。

基于上述可扩展量子中继技术，中国科大研究团队与济南量子技术研究院、新加坡国立大学、加拿大滑铁卢大学等机构的研究人员合作，成功实现了两个铷原子间的远距离高保真纠缠：在最长达100公里的光纤链路上，原子节点间远程纠缠保真度仍保持在90%以上，显著优于此前国际同类实验结果。

中国科大实现可扩展量子中继基本模块。

在此基础上，团队首次在城域尺度光纤链路上实现了设备无关量子密钥分发：在11公里光纤链路中完成了基于有限数据量的安全性分析与严格证明，传输距离较此往最好结果提升约3000倍；在100公里光纤链路中演示了密钥生成的可行性，传输距离较国际此前最好实验水平提升两个数量级以上。

百公里DI-QKD实验示意图。两端节点内的单原子通过里德堡单光子生成过程发射光子，光子经长距离光纤传输至中间节点并发生干涉。在探测到预报事件后，两端原子被投影到远距离纠缠态，从而实现纠缠分发。随后两端对原子进行随机基测量，测量结果用于贝尔不等式检验以验证安全性，并在通过检验后对数据进行后处理生成安全密钥。

该研究工作得到国家科技重大专项、国家自然科学基金委、中国科学院及安徽省、合肥市、山东省、济南市、香港研究资助局等的支持。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10177-4、https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec6243