量子點單光子源助力新型量子中繼架構(gòu)

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、分布式計算和精密測量等領(lǐng)域帶來突破。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陳騰云、陸朝陽等與清華大學(xué)馬雄峰合作，基于團隊自主研制的高品質(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、可擴展量子中繼架構(gòu)。這一成果于8月26日發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《Nature Physics》上，為未來量子網(wǎng)絡(luò)的實際落地邁出了關(guān)鍵一步。

什么是“量子點”？

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

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

單光子源在量子通信中有著廣泛的應(yīng)用前景，因為它能精確控制每個光子的產(chǎn)生與特性，是實現(xiàn)高保真量子信息傳輸?shù)年P(guān)鍵元件。近年來，中國科大團隊在量子點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)換與光纖通信波長兼容。得益于這些性能，量子點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，其目標是連接各類量子系統(tǒng)，為未來量子計算、量子密碼學(xué)及量子計量學(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)的實現(xiàn)仍較多依賴經(jīng)典中繼節(jié)點——這類節(jié)點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)進行處理，因此網(wǎng)絡(luò)安全性需依賴中間節(jié)點的自身安全性。

▲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，可實現(xiàn)量子信息的安全高效傳輸。其核心優(yōu)勢在于網(wǎng)絡(luò)的安全性完全獨立于中繼節(jié)點本身，即便節(jié)點為“不可信節(jié)點”，網(wǎng)絡(luò)安全仍能得到保障。這大幅降低了節(jié)點部署和維護的安全要求。如何將量子網(wǎng)絡(luò)擴展至包含多個量子中繼節(jié)點，同時兼顧擴展效率、安全性與可靠性，是推進量子網(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

這項研究的突破在哪里？

研究團隊設(shè)計并實現(xiàn)了一種五節(jié)點量子中繼架構(gòu)：

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

實驗的核心難點在于實現(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方面：一是二者強度不匹配會導(dǎo)致探測信號埋沒在噪聲中；二是探測時間窗過寬，容易引入背景噪聲，降低干涉可見度。此次研究中，團隊通過精確調(diào)節(jié)單光子源與相干光的強度比例，使兩束光在干涉時達到最佳平衡，并結(jié)合高精度時間同步技術(shù)嚴格限定探測時間窗，從而顯著減少背景噪聲和探測誤差。得益于這些優(yōu)化，實驗實現(xiàn)了高達 90% 的干涉可見度，確保該五節(jié)點網(wǎng)絡(luò)能夠通過干涉測量穩(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現(xiàn)了安全密鑰分發(fā)，標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)點量子通信中。它在提升系統(tǒng)信噪比、擴展通信距離、降低部署成本等方面展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢，并引入了模塊化設(shè)計理念，便于未來擴展更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓撲，如三層星型或多層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

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

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

對未來的意義

量子點單光子源的引入，為量子中繼帶來了前所未有的性能提升和靈活性。未來，研究團隊計劃通過進一步提高光子不可分辨性、降低誤碼率，將通信距離擴展至上千公里。

從長遠看，這一架構(gòu)不僅可用于量子密鑰分發(fā)，也可實現(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

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