中國科學(xué)家新突破：構(gòu)建首個基于糾纏的城際量子網(wǎng)絡(luò)！

（圖蟲創(chuàng)意）

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)采用單光子干涉技術(shù)，實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離量子存儲節(jié)點間的量子糾纏，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了國際首個基于量子糾纏的城市范圍的三節(jié)點量子網(wǎng)絡(luò)。這個工作使得現(xiàn)實量子糾纏網(wǎng)絡(luò)的距離從之前以往的幾十米提升至幾十公里級別，相關(guān)成果于2024年5月發(fā)表在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

那么什么是量子糾纏網(wǎng)路？它的意義在哪里？

神奇的量子糾纏

量子糾纏是量子力學(xué)中的一個奇特現(xiàn)象，它描述了兩個或多個粒子關(guān)聯(lián)在一起的一種量子疊加態(tài)，也可以是單個粒子的不同物理量關(guān)聯(lián)在一起的量子態(tài)。這種關(guān)聯(lián)的形成往往受到守恒定律限制，如動量守恒或能量守恒等等。就是把這些量子疊加態(tài)放在一起的所有組合中，去掉那些不符合守恒定律的部分，剩下的就是量子糾纏態(tài)。

對于兩個粒子的量子糾纏來說，即使這兩個粒子相隔很遠(yuǎn)，它們的量子狀態(tài)也不能獨立描述，只能通過整體的量子糾纏波函數(shù)來描述。當(dāng)對其中一個粒子進(jìn)行測量，確定了其狀態(tài)后，另一個粒子的狀態(tài)立即確定。這種超越了經(jīng)典物理學(xué)的跨時空關(guān)聯(lián)，被愛因斯坦稱為“spooky action at a distance”，即“幽靈般的超距作用”。

量子比特傳輸

量子糾纏可以用來傳輸量子信息的最小單元量子比特，稱之為量子遠(yuǎn)程傳態(tài)。既然遠(yuǎn)距離的量子糾纏就能夠遠(yuǎn)距離傳輸量子比特，如果量子糾纏能夠組成一個網(wǎng)絡(luò)，那么就可以在這個網(wǎng)絡(luò)上遠(yuǎn)距離傳輸量子比特。而無論是未來分布式量子計算，還是分布式的量子傳感和量子精密測量，都需一個網(wǎng)絡(luò)來不斷地遠(yuǎn)距離傳輸量子比特，所以我們首先就要實現(xiàn)這樣一個量子糾纏網(wǎng)絡(luò)。

重要的量子存儲器

量子糾纏網(wǎng)絡(luò)的核心是量子存儲器。如果沒有量子存儲器，一個量子糾纏網(wǎng)絡(luò)增加節(jié)點的難度是指數(shù)級。就是所有兩個臨近節(jié)點之間形成量子糾纏的概率要乘在一起，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的發(fā)展很快就會衰減到接近零。

而有了量子存儲器，兩個臨近節(jié)點之間可以先形成量子糾纏，儲存起來，第三個節(jié)點也和量子存儲器形成量子糾纏，完成糾纏交換，依次類推，直到量子存儲器不能讀取為止。這樣一個量子糾纏網(wǎng)絡(luò)增加節(jié)點的難度就是對數(shù)級，而量子存儲器的壽命和操作精確度決定了量子糾纏網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。

中國科學(xué)家新突破

量子存儲器本身是一個非常有挑戰(zhàn)的技術(shù)，難度甚至不亞于量子計算機(jī)。經(jīng)過多年的發(fā)展，在2024年之前也只能支持幾十米的多節(jié)點量子糾纏網(wǎng)絡(luò)，無法走出實驗室。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的量子存儲團(tuán)隊經(jīng)過長期的技術(shù)積累和創(chuàng)新的光子相位控制技術(shù)，精確控制了量子存儲器的讀和寫兩束激光的相位差，大幅提高了量子存儲器的操作精確度，從而實現(xiàn)了相隔十幾千米遠(yuǎn)的三個量子存儲器之間的量子糾纏網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)總長幾十公里，具備了實現(xiàn)城域網(wǎng)的條件。

所以，這個工作如同傳輸經(jīng)典比特的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在上世紀(jì)60年代末有了ARPANET這個雛形，傳輸量子比特的量子糾纏網(wǎng)絡(luò)在本世紀(jì)20年代也有了雛形。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者：張文卓 夸密量子創(chuàng)始人

審核：尹璋琦 北京理工大學(xué)教授

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司