中國量子技術(shù)的“量”力前行

清華大學交叉信息研究院濮云飛和段路明研究組在冷原子系統(tǒng)中實現(xiàn)了12公里光纖長度上多模式增強的預(yù)報式原子—光子糾纏。其工作創(chuàng)造了多項城際（gt;10公里）量子互聯(lián)網(wǎng)的世界紀錄。

12公里量子中繼節(jié)點

刷新多項世界紀錄

日前，清華大學交叉信息研究院濮云飛和段路明研究組，在冷原子系統(tǒng)中實現(xiàn)了12公里光纖長度上多模式增強的預(yù)報式原子—光子糾纏。其工作創(chuàng)造了多項城際（gt;10公里）量子互聯(lián)網(wǎng)的世界紀錄，包括城際距離上的原子—光子糾纏產(chǎn)生速率達到1.95kHz，城際距離上原子—光子糾纏產(chǎn)生速率和量子存儲器退相干速率的比值達到0.46（信道效率），糾纏效率通過多模復(fù)用的增強倍數(shù)達到140倍（280模式）。

特別值得關(guān)注的是，當未來使用兩個此種量子中繼節(jié)點來實現(xiàn)雙節(jié)點網(wǎng)絡(luò)時，信道效率可達到0.92，接近于信道效率大于1的擴展閾值。

目前，該成果論文以“Fast"delivery"of"heralded"atom-photon"quantum"correlation"over"12km"fiber"through"multiplexing"enhancement”為題，于2024年11月27日在Nature"Communications（《自然·通訊》）雜志在線發(fā)表。

量子網(wǎng)絡(luò)和量子中繼是未來實現(xiàn)超大規(guī)模量子計算、洲際量子通訊、全球量子互聯(lián)網(wǎng)、超高精度量子精密測量的必經(jīng)之路。

量子網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴展的難點在于，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間通過光子干涉產(chǎn)生預(yù)報式糾纏所消耗的時間必須小于量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的相干時間（即“信道效率”大于1），在這種情況下量子網(wǎng)絡(luò)才能通過糾纏交換的方法實現(xiàn)規(guī)模擴展，以及有效利用多對（大于等于2）遠距離量子糾纏。因此，信道效率大于1是量子網(wǎng)絡(luò)擴展的條件。

目前，信道效率大于1只能在實驗室規(guī)模（光纖長度約為10m）的量子網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)。對于城際規(guī)模（光纖長度大于10公里）的量子網(wǎng)絡(luò)，由于光在光纖中的傳播時間限制，單次糾纏嘗試所消耗的時間很長（約為百微秒量級）。因此而導致的低實驗重復(fù)率極大地限制了遠距離糾纏的產(chǎn)生速率，所以目前全世界已經(jīng)實現(xiàn)的城際距離量子網(wǎng)絡(luò)最高的信道效率也小于0.01。

在本工作中，濮云飛、段路明研究組通過對總共280個DLCZ量子存儲器模式（70個獨立可尋址的存儲單元和4個不同的角度模式）的時分復(fù)用，將12公里的長光纖全部填滿。在這種情況下，單次糾纏嘗試所需要的時間從120微秒降低到850納秒，將實驗重復(fù)率提高了140倍，從而實現(xiàn)遠程原子—光子量子糾纏的超快分發(fā)。信道效率達到目前世界最佳的0.46。同時這也是城際量子網(wǎng)絡(luò)信道效率首次達到接近于1這個量級的里程碑。

未來如果通過單光子糾纏的方式連接兩個這種量子中繼節(jié)點，可以達到0.92的信道效率，將有望達到城際量子網(wǎng)絡(luò)的擴展閾值，使未來的多節(jié)點（gt;2）量子中繼和量子網(wǎng)絡(luò)成為可能。

此外，濮云飛、段路明研究組還通過對光子收集信號返回時間的反饋，可以準確定位出已產(chǎn)生糾纏的存儲器地址和角度模式，并且可以在任意想要的時刻對已產(chǎn)生糾纏的存儲器模式進行讀出操作。這種按需讀取的能力也是未來量子中繼的必備功能，且因為難度較高，此前的實驗很少能夠?qū)崿F(xiàn)。

量子中繼器實用化邁出關(guān)鍵一步

一直以來，量子互聯(lián)網(wǎng)都被認為是實現(xiàn)量子信息處理的圣杯，有望在全球范圍內(nèi)部署各種量子技術(shù)和協(xié)議。然而，在量子互聯(lián)網(wǎng)成為現(xiàn)實之前，仍有許多挑戰(zhàn)需要應(yīng)對。

其中最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)之一可能是實現(xiàn)量子中繼器，它是量子信息隱形傳態(tài)的重要組成部分。量子中繼器類似于經(jīng)典的中繼器、擴展器或增壓器，其作用是克服量子網(wǎng)絡(luò)中量子信道的損耗和噪聲。

光子在光纖中傳播時的指數(shù)級衰減是長程量子通訊和大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)過程中面臨的主要問題，而量子中繼協(xié)議是解決光纖傳播損耗的最佳方案。

多年來，清華大學交叉信息研究院段路明研究組一直深耕量子信息領(lǐng)域相關(guān)課題研究。2001年段路明與合作者提出著名的DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller）量子中繼方案，利用原子量子存儲器和單光子信道的結(jié)合，克服光量子信號在光纖中的指數(shù)衰減問題，之后持續(xù)成為該領(lǐng)域研究熱點。

經(jīng)過世界各國研究團隊近20年的努力，DLCZ量子中繼協(xié)議的實驗實現(xiàn)在許多方面已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，例如如何在一個小的中繼模塊中產(chǎn)生量子糾纏的技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。但是作為量子中繼協(xié)議中關(guān)鍵的步驟，即如何將小規(guī)模的中繼模塊通過量子存儲器的存儲，與鄰近的中繼模塊高效地連接成為一個更大的中繼模塊從而擴大量子糾纏在空間中的分布，因為實驗技術(shù)方面存在的困難，一直尚未實現(xiàn)。

2021年，段路明研究組首次在實驗中實現(xiàn)了量子中繼協(xié)議中的兩個中繼模塊間的高效糾纏連接，成功展示了量子中繼模塊連接效率的規(guī)?；嵘@是實現(xiàn)實用化的量子中繼器的一個關(guān)鍵步驟，也是量子信息領(lǐng)域的重要進展。

在此項工作中，研究人員通過將超低溫銣原子氣體囚禁在一維光晶格中，通過光學泵浦將原子制備在對磁場變化不敏感的鐘態(tài)，并且精確調(diào)控施加在原子所在位置的磁場，成功將冷原子量子中繼的相干時間提升至數(shù)十毫秒量級并能保證讀取的量子態(tài)具有很高的保真度。

此外，結(jié)合實時反饋的高速控制系統(tǒng)，通過將先產(chǎn)生量子糾纏的中繼模塊存儲至相鄰中繼模塊也產(chǎn)生量子糾纏之時，實現(xiàn)了相鄰兩個量子中繼模塊內(nèi)部的量子糾纏的異步制備。最后在兩個模塊之間通過糾纏交換，實現(xiàn)量子中繼模塊的高效糾纏連接。通過這種方式進行糾纏連接，其連接效率線性正比于單個模塊內(nèi)部糾纏制備所需要的時間，與之前研究中未使用量子存儲的同步制備兩個中繼模塊內(nèi)部的量子糾纏所需要的二次方時間相比，改變了連接效率在規(guī)?；系膹?fù)雜度；單個量子中繼模塊內(nèi)部糾纏制備概率為0.1%時，該工作能提高兩個量子中繼模塊糾纏連接的效率353倍。當未來量子中繼模塊從兩個擴展到N個時，這種效率提升對應(yīng)了量子中繼器對直接傳輸量子通訊在量子糾纏分發(fā)效率上的指數(shù)級提升。

因此該工作通過使用量子存儲，首次實現(xiàn)了不同量子中繼模塊的按需式糾纏連接，且連接效率得以規(guī)模化提升，展現(xiàn)了量子中繼器對長程量子通信的核心加速能力。

中國量子技術(shù)已實現(xiàn)部分領(lǐng)跑

新興產(chǎn)業(yè)與未來產(chǎn)業(yè)代表科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的方向，量子技術(shù)就是其中之一。2024年政府工作報告指出，充分發(fā)揮創(chuàng)新主導作用，以科技創(chuàng)新推動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，加快推進新型工業(yè)化，提高全要素生產(chǎn)率，不斷塑造發(fā)展新動能新優(yōu)勢，促進社會生產(chǎn)力實現(xiàn)新的躍升。在積極培育新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)方面，提到開辟量子技術(shù)、生命科學等新賽道。

量子信息技術(shù)是以量子力學原理為基礎(chǔ)，通過對微觀量子系統(tǒng)中物理狀態(tài)的制備、調(diào)控和觀測，實現(xiàn)信息感知、計算和傳輸?shù)娜滦畔⑻幚矸绞?。目前主要有量子通信、量子計算和量子精密測量三個研究領(lǐng)域。其中，量子保密通信是最先進入實用化階段、發(fā)展最為成熟的量子信息技術(shù)，中國當前量子通信市場規(guī)模超800億元。

經(jīng)過20余年的努力，中國整體上已經(jīng)實現(xiàn)了從跟蹤、并跑到部分領(lǐng)跑的飛躍，在量子通信的研究和應(yīng)用方面處于國際領(lǐng)先地位，在量子計算方面處于國際第一方陣，在量子精密測量部分方向上處于國際領(lǐng)先或先進水平。

目前，國內(nèi)外均有量子通信技術(shù)落地，美國、歐洲、中國等國家已經(jīng)建立了量子通信網(wǎng)絡(luò)，其中，中國的量子通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模最大、傳輸距離最長，并且實現(xiàn)了地空連接，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積最大。

中國城域城際量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已初步滿足實用化要求，總里程超過10000公里的國家量子骨干網(wǎng)已全線貫通，覆蓋京津冀、長三角、粵港澳、成渝等重要區(qū)域。衛(wèi)星量子通信方面，中國研制并發(fā)射了世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”，率先實現(xiàn)星地量子通信。

中國是目前唯一在光學和超導兩種物理體系都達到“量子計算優(yōu)越性”里程碑的國家。中國構(gòu)建的76光子光量子計算原型機“九章”，在國際上首次在光量子體系實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”里程碑……在超導量子體系，中國先后構(gòu)建了62比特超導量子計算原型機“祖沖之號”和66比特的“祖沖之二號”，在超導量子體系實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”。

量子信息在中國屬于戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，目前企業(yè)主要分布在京津冀、長三角等地。各部委近年來出臺了一系列相關(guān)政策，自2016年起兩會政府工作報告均提及量子信息科技；2024年兩會期間，國務(wù)院國資委指出，2025年中央企業(yè)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)收入的占比要達35%，在量子信息等方面提前布局。

目前全球量子信息企業(yè)中，歐美占比超過60%，中國占比約30%。其中，量子通信領(lǐng)域中國相關(guān)企業(yè)數(shù)量最多。美國包括IBM、谷歌、英特爾、微軟、亞馬遜等巨頭成立的研發(fā)部門，以及眾多初創(chuàng)企業(yè)在硬件、軟件、算法等領(lǐng)域開展創(chuàng)新。中國華為、百度、騰訊等企業(yè)近年來也相繼成立量子實驗室積極布局，但相對美國科技企業(yè)而言投入推動力度仍較為有限。

量子技術(shù)正在不斷形成新的科學前沿，激發(fā)革命性的科技創(chuàng)新，孕育對人類社會產(chǎn)生巨大影響的顛覆性技術(shù)。對于大眾而言，量子通信會使信息傳遞更加安全、個人隱私保護得到加強；另一方面，相關(guān)的教育和就業(yè)機會也可能會增多，這意味著，對于量子技術(shù)上下游產(chǎn)業(yè)的從業(yè)者而言，需要提升相關(guān)科學素養(yǎng)和就業(yè)技能。