前不久，中國科學技術大學採用單光子干涉技術，實現了遠距離量子存儲節點間的量子糾纏，並以此為基礎構建了國際首個基於量子糾纏的城市范圍的三節點量子網絡。這個工作使得現實量子糾纏網絡的距離從之前以往的幾十米提升至幾十公裡級別，相關成果於2024年5月發表在了國際頂尖學術期刊《自然》上。

那麼什麼是量子糾纏網絡？它的意義在哪裡？

神奇的量子糾纏

量子糾纏是量子力學中的一個奇特現象，它描述了兩個或多個粒子關聯在一起的一種量子疊加態，也可以是單個粒子的不同物理量關聯在一起的量子態。這種關聯的形成往往受到守恆定律限制，如動量守恆或能量守恆等等。把這些量子疊加態放在一起的所有組合中，去掉那些不符合守恆定律的部分，剩下的就是量子糾纏態。

對於兩個粒子的量子糾纏來說，即使這兩個粒子相隔很遠，它們的量子狀態也不能獨立描述，隻能通過整體的量子糾纏波函數來描述。當對其中一個粒子進行測量，確定了其狀態后，另一個粒子的狀態立即確定。這種超越了經典物理學的跨時空關聯，被愛因斯坦稱為“spooky action at a distance”，即“幽靈般的超距作用”。

量子比特傳輸

量子糾纏可以用來傳輸量子信息的最小單元量子比特，稱之為量子遠程傳態。既然遠距離的量子糾纏就能夠遠距離傳輸量子比特，如果量子糾纏能夠組成一個網絡，那麼就可以在這個網絡上遠距離傳輸量子比特。而無論是未來分布式量子計算，還是分布式的量子傳感和量子精密測量，都需一個網絡來不斷地遠距離傳輸量子比特，所以我們首先就要實現這樣一個量子糾纏網絡。

重要的量子存儲器

量子糾纏網絡的核心是量子存儲器。如果沒有量子存儲器，一個量子糾纏網絡增加節點的難度是指數級，也就是所有兩個臨近節點之間形成量子糾纏的概率要乘在一起，隨著網絡規模的發展很快就會衰減到接近零。

而有了量子存儲器，兩個臨近節點之間可以先形成量子糾纏，儲存起來，第三個節點也和量子存儲器形成量子糾纏，完成糾纏交換，依次類推，直到量子存儲器不能讀取為止。這樣一個量子糾纏網絡增加節點的難度就是對數級，而量子存儲器的壽命和操作精確度決定了量子糾纏網絡的規模。

中國科學家新突破

量子存儲器本身是一個非常有挑戰的技術，難度甚至不亞於量子計算機。經過多年的發展，在2024年之前也隻能支持幾十米的多節點量子糾纏網絡，無法走出實驗室。

中國科學技術大學的量子存儲團隊經過長期的技術積累和創新的光子相位控制技術，精確控制了量子存儲器的讀和寫兩束激光的相位差，大幅提高了量子存儲器的操作精確度，從而實現了相隔十幾千米遠的三個量子存儲器之間的量子糾纏網絡，整個網絡總長幾十公裡，具備了實現城域網的條件。

所以，這個工作如同傳輸經典比特的計算機網絡在上世紀60年代末有了ARPANET這個雛形，傳輸量子比特的量子糾纏網絡在本世紀20年代也有了雛形。

作者：夸密量子創始人張文卓 

審核：北京理工大學教授尹璋琦 

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