量子糾纏紀錄突破：中國科學家以420公里光纖纏結量子記憶體

這項實驗以「編輯推薦」形式發表於《物理評論快報》，並於arXiv預印本網站首次公開 。這項成果，是從都會規模量子網路邁向真實城際連結的具體一步。

實驗如何運作

實驗系統包含兩個量子記憶體節點，暱稱為「愛麗絲」（Alice）和「鮑勃」（Bob），以及一個位於中間的量測節點「查理」（Charlie）。每個記憶體節點都是一團由雷射冷卻並捕捉的銣-87原子雲。

為了產生糾纏，團隊採用了一套名為「段-路金-西拉克-佐勒」（DLCZ）的著名協議 。在此方法中，每個記憶體會機率性地發射出一個單光子。在中央節點偵測到該光子，即表示兩個記憶體已成功纏結。

為達成420公里的目標，團隊克服了三大主要障礙：

波長轉換。 銣記憶體自然發射的光子波長約為780奈米（近紅外光），這類光子在長距離光纖中會快速被吸收。團隊將每個光子轉換至電信波段（約1550奈米）——與標準光纖通訊使用的波長相同——使訊號能在數百公里的光纖中傳輸而不被吸收 。

主動穩定系統。 在420公里光纖中，溫度變化、震動及其他機械效應會破壞單光子干涉所需的相位關係。團隊部署了一套穩定系統，持續補償這些波動，確保整個連結的相干性 。

單光子干涉。 創造糾纏的核心量測發生在中央節點，來自愛麗絲和鮑勃的光子在此處干涉。在如此長距離下，達成穩定的單光子干涉是一項重大的技術挑戰，而團隊成功克服了它 。

超越PLOB極限

這項實驗最重大的發現，或許是它超越了PLOB極限——這是無量子中繼器情況下，透過有損耗通道能達到的理論最大糾纏分發速率 。當光纖長度超過約230公里時，量測到的記憶體間糾纏機率便超越了此極限；而隨著光纖長度增加至420公里，其優勢持續擴大 。正如一篇報導指出，這是首個超越該基礎理論天花板的記憶體方案展示 。

團隊也證明了，在超越約320公里後，其記憶體輔助方案表現優於直接的光纖糾纏分發 。這是因為記憶體方案的糾纏成功機率與通道傳輸率的平方根成正比，而直接傳輸則與通道傳輸率成正比——這項根本差異，賦予了記憶體方案在長距離下的優勢 。

為何這對量子網路至關重要

將規模從都會提升至城際。 先前光纖物質間的糾纏紀錄大約在50至100公里範圍，涵蓋典型的都會區 。而420公里的距離，已跨入城市與城市之間的連結範疇。正如作者所寫：「我們的實驗為研究超越單一城市規模的量子網路應用，提供了一個測試平台」。

驗證了記憶體輔助的量子網路。 此結果證明了量子記憶體能在實用的光纖長度下，儲存並標示糾纏，同時超越無中繼器的極限 。這對於建構可擴展的量子中繼器，並最終實現完整的量子網際網路，是一個必要的前提 。

與現有電信基礎設施相容。 關鍵組件——電信波段波長轉換、主動光纖穩定系統及冷原子記憶體——都與標準光纖設備相容 。這意味著，從現今的量子金鑰分發（QKD）網路，升級至具備記憶體輔助長距離糾纏分發能力的未來量子網際網路，存在一條實際可行的技術路徑。

關鍵注意事項

儘管這項技術成就貨真價實，但必須強調，這是一次實驗室展示。實驗使用了盤繞光纖，並非實際部署的戶外線路 。光纖中僅包含一段從大學實驗室到合肥軟體園區量測節點的短距離實地線段，其餘長度皆為盤繞光纖 。實際的部署仍需解決額外的工程挑戰，包括戶外光纖的穩定性、與交換與路由硬體的整合，以及擴展至多個互連節點 。