济南量子技术研究院张强教授、谢秀平教授级高工和郑名扬副研究员与中国科学技术大学潘建伟院士、包小辉教授等合作，首次完整实现了基于单光子干涉的远距离双节点纠缠，并以此为基础构建了国际首个城域三节点量子纠缠网络。该工作使得现实量子纠缠网络的距离由以往的几十米提升至几十公里，为后续开展设备无关量子密钥分发、盲量子计算、分布式量子计算、量子增强长基线干涉等量子互联网应用奠定了科学与技术基础。相关研究成果于5月15日发表在国际学术期刊《自然》杂志上。

　　通过量子态的远程传输来构建量子网络是大尺度量子信息处理的基本要素。基于量子网络，可以实现广域量子密钥分发以及分布式量子计算和量子传感，构成未来“量子互联网”的技术基础。目前，基于单光子传输的量子密钥网络已发展成熟，而面向分布式量子计算、分布式量子传感等进一步量子网络应用，需要采用量子中继技术在远距离量子存储器间构建量子纠缠，在此基础上通过广域量子隐形传态将各个量子信息处理节点连接起来。

　　为在远距离分离的独立量子存储器间建立纠缠，主要挑战在于如何控制单光子相位。基于单光子干涉的纠缠方案在纠缠速率方面有重大优势，然而实验难度非常高。纠缠过程中量子存储的控制激光、频率转换泵浦激光、长光纤信道等带来的细微相位抖动都会导致最终生成纠缠的退相干。

　　为解决这一难题，中国科学技术大学的团队设计并发展了一套非常精巧的相位控制方案：首先通过超稳腔稳频来压制控制激光线宽，其次通过光锁相环来构建读写激光间的相位关联，最后通过远程分时相位比对来构建两节点间的相位关联。济南量子技术研究院团队基于长波泵浦方案，自主设计和研发了周期极化铌酸锂波导，在此基础上构建高效率、低噪声量子频率转换接口，完成铷原子工作波段到通信波段的量子态转移。以此为基础，研究团队构建了国际上首个城域三节点量子纠缠网络。该网络可以在任意两个量子存储器节点间建立纠缠。

　　图：实验节点布局示意图。其中Alice节点位于中国科大东区、Bob节点位于合肥创新产业园、Charlie节点位于安徽光机所。

　　该工作使得现实量子纠缠网络的距离由几十米提升至几十公里，提升了三个数量级，为后续开展分布式量子计算、分布式量子传感等量子互联网应用奠定基础。该工作是国际首个城域多节点量子网络实验；与其他双节点远距离实验相比，纠缠效率要高500倍以上。审稿人对该工作给予高度评价：“他们的成果开启了量子互联网研究的新篇章（their achievement starts a new stage of quantum internet research）”，“为未来大规模量子网络铺平了道路（paving the way for future large-scale quantum networks）”。

　　《自然》杂志也在同一期发表了美国哈佛大学Lukin团队的相关实验进展，该团队首次在SiV色心体系实现了双节点远距离纠缠。二者相比，中国科学技术大学的成果在纠缠效率方面有明显优势，比哈佛大学的工作高两个数量级以上。

　　本项研究获得了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院等的支持。

　　论文链接：

　　https://www.nature.com/articles/s41586-024-07308-0 （通讯员 马晓芳）