量子通信與量子網(wǎng)絡(luò)是未來信息技術(shù)的核心方向，有望在安全通信、分布式計(jì)算和精密測(cè)量等領(lǐng)域帶來突破。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陳騰云、陸朝陽(yáng)等與清華大學(xué)馬雄峰合作，基于團(tuán)隊(duì)自主研制的高品質(zhì)單光子源，成功構(gòu)建了一種基于高品質(zhì)單光子源的模塊化、可擴(kuò)展量子中繼架構(gòu)。這一成果于8月26日發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Nature Physics》上，為未來量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際落地邁出了關(guān)鍵一步。

什么是“量子點(diǎn)”？

在半導(dǎo)體中，如果把電子“關(guān)”在一個(gè)極小的空間中，它們的能級(jí)會(huì)像原子一樣變得離散，這種“人工原子”就是量子點(diǎn)。當(dāng)用激光激發(fā)時(shí)，它會(huì)只發(fā)出一個(gè)光子——這就是量子點(diǎn)單光子源。

▲量子點(diǎn)（QD）分立能級(jí)示意圖（左）和本工作使用的基于可調(diào)諧開放腔體(右)的量子點(diǎn)示意圖

單光子源在量子通信中有著廣泛的應(yīng)用前景，因?yàn)樗芫_控制每個(gè)光子的產(chǎn)生與特性，是實(shí)現(xiàn)高保真量子信息傳輸?shù)年P(guān)鍵元件。近年來，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)在量子點(diǎn)單光子源方面取得了重要突破，使其不僅具有極高的單光子純度（0.9985）和重復(fù)頻率，還能通過參量轉(zhuǎn)換與光纖通信波長(zhǎng)兼容。得益于這些性能，量子點(diǎn)單光子源正成為量子通信網(wǎng)絡(luò)，乃至未來量子互聯(lián)網(wǎng)中最具潛力的核心器件之一。

什么是“量子中繼”？

量子網(wǎng)絡(luò)是量子信息科學(xué)的核心研究方向之一，其目標(biāo)是連接各類量子系統(tǒng)，為未來量子計(jì)算、量子密碼學(xué)及量子計(jì)量學(xué)等領(lǐng)域提供關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。當(dāng)前，量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)仍較多依賴經(jīng)典中繼節(jié)點(diǎn)——這類節(jié)點(diǎn)無法直接傳輸量子信息，僅能將量子信息轉(zhuǎn)換為經(jīng)典數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，因此網(wǎng)絡(luò)安全性需依賴中間節(jié)點(diǎn)的自身安全性。

▲未來量子網(wǎng)絡(luò)示意圖

相比之下，無需復(fù)雜量子操作或設(shè)備的量子中繼（Quantum Relay）利用量子疊加與量子糾纏特性，可實(shí)現(xiàn)量子信息的安全高效傳輸。其核心優(yōu)勢(shì)在于網(wǎng)絡(luò)的安全性完全獨(dú)立于中繼節(jié)點(diǎn)本身，即便節(jié)點(diǎn)為“不可信節(jié)點(diǎn)”，網(wǎng)絡(luò)安全仍能得到保障。這大幅降低了節(jié)點(diǎn)部署和維護(hù)的安全要求。如何將量子網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展至包含多個(gè)量子中繼節(jié)點(diǎn)，同時(shí)兼顧擴(kuò)展效率、安全性與可靠性，是推進(jìn)量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

▲理想量子中繼工作原理示意圖

這項(xiàng)研究的突破在哪里？

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種五節(jié)點(diǎn)量子中繼架構(gòu)：

在兩端的用戶節(jié)點(diǎn)（Alice與Bob）之間，加入三個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)——將團(tuán)隊(duì)此前研制的高性能量子點(diǎn)單光子源（Nature Photonics 19, 387 (2025)）作為核心中繼單元，與兩側(cè)的干涉測(cè)量節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作，共同構(gòu)成三個(gè)可作為“不可信節(jié)點(diǎn)”使用的量子中繼節(jié)點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)的核心難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)單光子與相干光之間的高質(zhì)量干涉，而這通常需要考慮兩個(gè)方面：一是二者強(qiáng)度不匹配會(huì)導(dǎo)致探測(cè)信號(hào)埋沒在噪聲中；二是探測(cè)時(shí)間窗過寬，容易引入背景噪聲，降低干涉可見度。此次研究中，團(tuán)隊(duì)通過精確調(diào)節(jié)單光子源與相干光的強(qiáng)度比例，使兩束光在干涉時(shí)達(dá)到最佳平衡，并結(jié)合高精度時(shí)間同步技術(shù)嚴(yán)格限定探測(cè)時(shí)間窗，從而顯著減少背景噪聲和探測(cè)誤差。得益于這些優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 90% 的干涉可見度，確保該五節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)能夠通過干涉測(cè)量穩(wěn)定、高效地傳遞量子信息。

這一結(jié)構(gòu)在300公里光纖鏈路上成功實(shí)現(xiàn)了安全密鑰分發(fā)，標(biāo)志著首次將單光子源與相干光的高質(zhì)量干涉應(yīng)用于多節(jié)點(diǎn)量子通信中。它在提升系統(tǒng)信噪比、擴(kuò)展通信距離、降低部署成本等方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并引入了模塊化設(shè)計(jì)理念，便于未來擴(kuò)展更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌缛龑有切突蚨鄬咏M網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

▲新的中繼結(jié)構(gòu)支持更復(fù)雜、多層次的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

更重要的是，這項(xiàng)成果為量子網(wǎng)絡(luò)從“單節(jié)點(diǎn)連接”邁向“多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)”奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)，讓真正可擴(kuò)展的量子互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)成為可能。

對(duì)未來的意義

量子點(diǎn)單光子源的引入，為量子中繼帶來了前所未有的性能提升和靈活性。未來，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過進(jìn)一步提高光子不可分辨性、降低誤碼率，將通信距離擴(kuò)展至上千公里。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，這一架構(gòu)不僅可用于量子密鑰分發(fā)，也可實(shí)現(xiàn)不同量子系統(tǒng)（如離子阱或原子系綜）之間的糾纏連接，為構(gòu)建全球化的量子互聯(lián)網(wǎng)鋪平道路。

參考文獻(xiàn)

1. Zou, M., He, YM., Huang, Y. et al. Realization of an untrusted intermediate relay architecture using a quantum dot single-photon source. Nat. Phys. 21, 1670–1677 (2025).

2. Ding, X., Guo, YP., Xu, MC. et al. High-efficiency single-photon source above the loss-tolerant threshold for efficient linear optical quantum computing. Nat. Photon. 19, 387–391（2024）.

3. Lodahl P, Mahmoodian S, Stobbe S. Interfacing single photons and single quantum dots with photonic nanostructures. Reviews of Modern Physics, Rev. Mod. Phys. 87, 347（2025）.