潘建伟，1970年3月生于浙江东阳，是一位实验物理学博士，中国科学技术大学教授，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，奥地利科学院外籍院士，现任中科院量子信息与量子科技创新研究院院长。2001年，潘建伟在奥地利维也纳大学完成五年的博士后研究后，回到母校中国科学技术大学，成为近代物理系的教授，当时他年仅31岁。回国后，他带领团队专注于量子光学、量子信息和量子力学基础问题的研究，推动了中国量子信息技术的进程，成为国际上颇具影响力的科学家，被誉为“最接近诺贝尔奖的中国科学家”。据不完全统计，自潘建伟教授在中科大建立课题组以来，他已发表了14篇《Science》和20篇《Nature》！
今日，潘建伟院士课题组文章再次登上《Nature》，下面就让我们一起拜读一下潘建伟院士团队的最新成果。
量子互联网的关键一跃：远距离离子—离子纠缠首次“跑赢时间”
量子网络被认为是未来量子通信、分布式量子计算与高精度量子测量的核心基础设施。然而，在光纤中传输量子信息会遭遇指数级光子损耗，使得远距离量子纠缠的建立效率急剧下降。量子中继被提出作为破解这一难题的关键方案，其基本思想是将长距离通信拆分为多个短距离纠缠链路，并通过纠缠交换逐级连接。但长期以来，一个根本性瓶颈始终存在：远程量子存储之间建立纠缠的速度，始终慢于纠缠自身的退相干速度。这意味着，即便纠缠能够被成功制备，也往往在下一次纠缠建立之前就已经失效，严重制约了可扩展量子中继的实现。
今日，中国科学技术大学潘建伟院士、张强教授、万雍教授和汪野研究员首次实现了远程囚禁离子量子存储之间的长寿命纠缠，其相干时间超过了平均纠缠建立时间。该成果依托长寿命囚禁离子量子记忆、高效低噪声的电信波段量子频率转换以及高可见度单光子纠缠协议，在 10 公里光纤中实现了稳定的离子—离子纠缠，并进一步完成了长距离设备无关量子密钥分发的原理性演示。这一成果为多级纠缠交换和可扩展量子网络奠定了关键物理基础。相关成果以“Long-lived remote ion-ion entanglement for scalable quantum repeaters”为题发表在《Nature》上，Wen-Zhao Liu, Ya-Bin Zhou, Jiu-Peng Chen, Bin Wang为共同第一作者。
让纠缠“活得更久”：10 公里光纤中的量子记忆突破
如图1a所示，实验构建了一个由两个独立量子节点 Alice 和 Bob 组成的远程量子网络。每个节点中各囚禁一个40Ca+离子，作为量子比特和量子存储单元。离子在受控激发后会发射单光子，这些光子被高数值孔径物镜高效收集，并耦合进入光纤系统。随后，光子经过量子频率转换模块，被转换到 1550 nm 电信波段，通过长达 10 公里的光纤传输至中间站，在那里发生单光子干涉并由超导纳米线单光子探测器进行探测。
当中间站探测到符合条件的单光子点击事件时，便“宣告”远程 Alice 与 Bob 两个节点中的离子之间成功建立纠缠。为了真实模拟长距离通信带来的时延，实验在本地操作中人为引入了与光纤长度等效的延迟，从而确保纠缠存储过程与实际量子网络条件一致图1b进一步展示了单个节点内的光路设计。用于量子态操控的 729 nm 与 854 nm 激光沿物镜光轴入射，不仅实现离子能级间的相干操控，还可通过和频过程生成 393 nm 的相位参考脉冲，用于跨节点的相位稳定。图1c则展示了频率转换模块的结构：393 nm 单光子在周期性极化铌酸锂（PPLN）波导中被高效转换为 1550 nm，同时叠加 1548 nm 参考光，实现对长距离光纤中相位噪声的主动抑制。
图1：远程囚禁离子量子纠缠的整体实验架构与光路设计
单光子产生、频率转换与相位稳定机制
图2a给出了 40Ca+离子的能级结构及单光子产生流程。离子首先通过 729 nm π 脉冲被激发至亚稳态，随后短脉冲 854 nm 激光将部分布居转移至激发态，触发 393 nm 单光子辐射。该过程在保证离子—光子纠缠的同时，有效控制了多光子误差。图2b对比了频率转换前后单光子的时间分布特征。可以看到，393 nm 单光子具有纳秒级的自然辐射寿命，而在转换为 1550 nm 后，由于滤波腔体的作用，脉冲展宽至约 20 ns，但仍保持良好的时间结构，适合长距离传输和干涉。图2c系统表征了频率转换模块在不同泵浦功率下的链路效率与噪声水平。通过多级滤a滤波（带通滤波器、体布拉格光栅和 etalon），研究团队在保持约 28% 传输效率的同时，将噪声抑制至几十计数每秒，使信噪比超过 100:1。图2d展示了在双重相位稳定策略下，通过 10 公里光纤传输的参考光仍能保持接近 0.99 的干涉可见度，为高质量单光子纠缠提供了关键保障。
图2：单光子产生、频率转换效率及跨节点相位稳定性能
远程离子—离子纠缠的保真度与寿命
图3a展示了在 10 公里光纤条件下，对远程离子纠缠态进行量子态层析重构的结果。实验制备的 Bell 态保真度均超过 0.90，表明单光子纠缠协议与系统噪声控制达到了极高水平。图3b进一步揭示了纠缠生成速率与激发概率之间的权衡关系：随着激发概率提高，纠缠生成速率显著提升，但保真度会随之下降。图3c对比了不同光纤长度下纠缠失真来源的变化。得益于自旋回波和动力学解耦技术，即便在 100 公里光纤条件下，纠缠保真度仍保持稳定，表明系统已有效克服了光纤长度带来的额外退相干影响。最关键的结果体现在图3d中。通过将纠缠态转移至对磁场噪声不敏感的存储基态，并施加 Knill 动力学解耦脉冲，研究团队将远程离子—离子纠缠的相干时间延长至 550 ± 36 ms。这一时间首次超过了在相同条件下 450 ms 的平均纠缠建立时间，意味着纠缠能够在等待下一次纠缠生成期间保持可用状态，为多级纠缠交换提供了现实可能。
图3：远程离子—离子纠缠的保真度、生成速率与存储寿命
设备无关量子密钥分发的实验验证
在上述高保真、长寿命纠缠的基础上，研究团队进一步展示了设备无关量子密钥分发的原理性应用，如图4a所示。Alice 与 Bob 在纠缠建立后随机选择测量基，既用于 Bell 不等式检验，也用于密钥生成，所有结果被本地记录并通过经典信道后处理。图4b显示了在 10 公里光纤条件下，超过 400 小时的连续数据积累过程。对应的 CHSH 参数如图4c所示，始终稳定地违背经典界限，同时量子误码率保持在较低水平。基于有限尺寸安全分析，实验成功提取出正的安全密钥。图4d则展示了在 101 公里光纤条件下的实验结果。尽管受限于数据量，未进行完整的有限尺寸分析，但在渐近极限下，系统仍展现出正的密钥生成速率，将设备无关量子密钥分发的可实现距离提升了两个数量级以上。
图4：基于长寿命纠缠的设备无关量子密钥分发实验结果
小结
该研究首次实现了纠缠寿命超过建立时间的远程量子存储纠缠，标志着量子中继从“理论可行”迈入“物理可实现”的新阶段。通过囚禁离子、低噪声电信接口和高稳定相位控制的协同设计，研究团队为多级纠缠交换、长距离设备无关量子通信乃至未来量子互联网奠定了关键基础。随着量子存储寿命、纠缠速率和多节点网络架构的进一步提升，跨城市、跨区域的安全量子网络正加速走向现实。
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