中国科学家新突破：构建首个基于纠缠的城际量子网络

本文转自：人民网-科普中国

前不久，中国科学技术大学采用单光子干涉技术，实现了远距离量子存储节点间的量子纠缠，并以此为基础构建了国际首个基于量子纠缠的城市范围的三节点量子网络。这个工作使得现实量子纠缠网络的距离从之前以往的几十米提升至几十公里级别，相关成果于2024年5月发表在了国际顶尖学术期刊《自然》上。

那么什么是量子纠缠网络？它的意义在哪里？

神奇的量子纠缠

量子纠缠是量子力学中的一个奇特现象，它描述了两个或多个粒子关联在一起的一种量子叠加态，也可以是单个粒子的不同物理量关联在一起的量子态。这种关联的形成往往受到守恒定律限制，如动量守恒或能量守恒等等。把这些量子叠加态放在一起的所有组合中，去掉那些不符合守恒定律的部分，剩下的就是量子纠缠态。

对于两个粒子的量子纠缠来说，即使这两个粒子相隔很远，它们的量子状态也不能独立描述，只能通过整体的量子纠缠波函数来描述。当对其中一个粒子进行测量，确定了其状态后，另一个粒子的状态立即确定。这种超越了经典物理学的跨时空关联，被爱因斯坦称为“spooky action at a distance”，即“幽灵般的超距作用”。

量子比特传输

量子纠缠可以用来传输量子信息的最小单元量子比特，称之为量子远程传态。既然远距离的量子纠缠就能够远距离传输量子比特，如果量子纠缠能够组成一个网络，那么就可以在这个网络上远距离传输量子比特。而无论是未来分布式量子计算，还是分布式的量子传感和量子精密测量，都需一个网络来不断地远距离传输量子比特，所以我们首先就要实现这样一个量子纠缠网络。

重要的量子存储器

量子纠缠网络的核心是量子存储器。如果没有量子存储器，一个量子纠缠网络增加节点的难度是指数级，也就是所有两个临近节点之间形成量子纠缠的概率要乘在一起，随着网络规模的发展很快就会衰减到接近零。

而有了量子存储器，两个临近节点之间可以先形成量子纠缠，储存起来，第三个节点也和量子存储器形成量子纠缠，完成纠缠交换，依次类推，直到量子存储器不能读取为止。这样一个量子纠缠网络增加节点的难度就是对数级，而量子存储器的寿命和操作精确度决定了量子纠缠网络的规模。

中国科学家新突破

量子存储器本身是一个非常有挑战的技术，难度甚至不亚于量子计算机。经过多年的发展，在2024年之前也只能支持几十米的多节点量子纠缠网络，无法走出实验室。

中国科学技术大学的量子存储团队经过长期的技术积累和创新的光子相位控制技术，精确控制了量子存储器的读和写两束激光的相位差，大幅提高了量子存储器的操作精确度，从而实现了相隔十几千米远的三个量子存储器之间的量子纠缠网络，整个网络总长几十公里，具备了实现城域网的条件。

所以，这个工作如同传输经典比特的计算机网络在上世纪60年代末有了ARPANET这个雏形，传输量子比特的量子纠缠网络在本世纪20年代也有了雏形。

作者：夸密量子创始人张文卓

审核：北京理工大学教授尹璋琦