中国科学家刷新量子纠缠纪录：420公里光纤实现量子存储器纠缠

实验如何实现

系统由两个量子存储器节点（昵称“爱丽丝”和“鲍勃”）以及一个中间测量节点（“查理”）组成。每个存储器节点是一团被激光冷却并囚禁的铷-87原子云。研究团队采用经典的DLCZ（段-路-金-佐勒）协议：每个存储器以一定概率发射一个单光子，中间节点探测到该光子即宣告两个存储器之间建立纠缠。

为达到420公里这一距离，团队攻克了三大关键技术难题：

波长转换。 铷原子存储器自然发射的光子波长约为780纳米（近红外波段），在长距离光纤中损耗极大。团队将每个光子转换到1550纳米的通信波段——这与标准光纤通信使用的波长一致——使信号能够传输数百公里而不被过度吸收。

主动稳相。 420公里的光纤会受到温度变化、振动等机械效应的影响，这些因素会破坏单光子干涉所需的相位关系。团队部署了一套主动稳相系统，持续补偿这些波动，从而在整个光纤链路上保持相干性。

单光子干涉。 纠缠建立的核心发生在中间节点，即来自“爱丽丝”和“鲍勃”的光子在此发生干涉。在如此长的距离上实现稳定的单光子干涉是一项重大的技术挑战，团队成功解决了这一问题。

突破PLOB界限

实验最引人注目的成果之一是超越了PLOB界限——即在不使用量子中继器的情况下，通过有损耗信道分发纠缠的理论最大速率。实验测得的存储器间纠缠成功率在约230公里以上距离便超过了这一极限，并且随着光纤长度增加到420公里，优势持续扩大。这是首次基于存储器的实验方案突破这一根本性理论天花板。

研究团队还证明，在超过约320公里后，他们基于存储器的方案性能优于直接光纤纠缠分发。这是因为基于存储器的方案的成功率与信道透过率的平方根成正比，而直接传输的成功率仅与透过率线性相关——这一根本区别使得量子存储器在长距离上具有明显优势。

对量子互联网的意义

从城域跨度迈入城际跨度。 此前光纤中物质-物质纠缠的纪录在50至100公里量级，覆盖典型的城市范围。而420公里的距离已将量子网络推进到可以连接不同城市的尺度。正如作者所言：“我们的实验为研究超越单一城市尺度的量子网络应用提供了测试平台。”

验证了基于量子存储器的量子网络路径。 这一结果证明了量子存储器能够在实用光纤长度上存储并宣告纠缠，同时超越无中继极限。这是构建可扩展量子中继器乃至完整量子互联网的必要前提。

与现有电信基础设施兼容。 实验中的关键技术——通信波段波长转换、主动光纤稳相以及冷原子存储器——均与标准光纤设备兼容。这意味着从今天的量子密钥分发（QKD）网络到未来具备存储器辅助长距离纠缠分发能力的量子互联网，存在一条可行的演进路径。

关键局限

尽管这是一项实实在在的技术突破，需要指出的是，这仍是一项实验室演示。实验中使用了盘绕光纤（仅包含一小段从大学实验室到合肥软件园测量节点的实地光缆），并非完全在野外部署的链路。实际部署仍需解决诸多工程挑战，包括野外光纤的稳定性、与交换与路由硬件的集成，以及向多节点网络扩展等。