两团冷原子隔空「牵手」:420 公里光纤纠缠,把量子网络拉进城际时代

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经典互联网跑的是比特。比特可以被复制、被放大,信号衰减了就加一台中继器。量子世界完全是另一套规则:量子态不可克隆,纠缠一旦要隔着距离分发就极其脆弱——光纤每前进一段,光子就被损耗吞掉一批,损耗随距离指数恶化,而你无法给量子信号装一台“经典放大器”。这是“量子互联网”喊了二十年,至今仍困在实验室里的根本原因。

最近,这条长路上多了一个结实的脚印。中国科学技术大学等单位成功让两个冷原子量子存储器跨越 420 公里光纤建立起量子纠缠,并且在 230 公里以上的距离,纠缠分发速率突破了无中继分发的理论极限。

从 50 公里到 420 公里的接力

先看这次结果的几个要点:

  • 物质量子比特间的纠缠距离大幅刷新:两个冷原子量子存储器——而非两束光子——隔着 420 公里光纤实现了纠缠;
  • 越过了无中继的理论极限:在 230 公里以上的距离,实验表现超过了不用中继时物理定律所允许的速率上限;
  • 这是一场持续多年的接力:同一团队 2020 年实现 50 公里光纤双节点存储器纠缠,2024 年在合肥建成国际首个城域三节点量子存储网络,2026 年又拿下百公里级高保真双节点纠缠与器件无关量子密钥分发。420 公里,等于把“城域”直接拉到了“城际”。

量子中继为什么要过这道坎

大众熟知的“量子通信”,比如京沪干线,走的是可信中继路线:中间节点是经典设备,必须被物理安保,安全假设打了折扣。“墨子号”卫星虽然分发过上千公里的纠缠光子,但那是光子与光子的纠缠,受天气、昼夜与轨道窗口限制,也难以承载网络化应用。

量子存储器间纠缠是另一条更难、也更有想象力的路线。存储器把量子态“存”在原子系综里,可以等待、可以同步、可以参与纠缠交换——这正是量子中继的三块基石。一旦中继链路打通,量子信号不必一次跑完全程,而是分段建立纠缠再“缝合”起来,端到端速率不再随总距离指数崩塌。这次实验越过无中继极限的意义就在于此:在 230 公里之外,“分段接力”开始跑赢“一口气直送”——这正是中继架构存在的全部理由。

再往远看,这套基础设施的想象空间不止于密钥分发:分布式量子计算可以把多台中等规模的量子处理器“并网”成更大算力;分布式量子传感能让相隔两地的探测器共享纠缠,把测量精度推出经典极限。而这一切,都以“存储器间长距离纠缠”为前提。

冷静看:离一张真正的网还有多远

需要泼的冷水也有。纠缠分发速率、保真度、存储寿命、多节点组网扩展,每一项都还有数量级的差距要补;从“两个节点的实验”到“一张可运营的量子网络”,中间是工程化长跑,不是一次冲刺。

但方向上的信号足够清晰:量子互联网最难的地基——长寿命节点加上远距离纠缠——正以肉眼可见的速度从论文走向系统。如果说过去十年量子科技的叙事属于单台量子计算机,下一个十年的叙事,也许属于把这些机器连起来的那张“纠缠之网”。

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