量子存储器间纠缠突破420公里，中国团队实现远距离量子中继新纪录

近日，中国科学技术大学潘建伟、包小辉、张强研究团队联合济南量子技术研究院、中科院上海微系统与信息技术研究所等多家单位，在远距离量子中继核心技术上取得标志性进展。团队利用光纤链路，完成两套冷原子量子存储器间420公里远程纠缠，并实验证实当传输距离超过230公里时，该方案性能超越无中继直传信道的理论上限。

量子存储器间的远距离纠缠是构建量子互联网的关键技术，有望应用于基于量子中继的远程量子通信、分布式量子计算和传感等领域。然而，实现长距离纠缠面临诸多挑战。光子在标准光纤中的衰减约为3.5 dB/km，无法直接承担数百公里传输任务。研究团队通过量子频率转换技术，将光子波长从780 nm转换至1522 nm电信S波段，使光纤衰减降低到约0.17 dB/km，为超长距离链路打开窗口。

实验中，Alice和Bob节点分别使用冷原子系综作为量子存储器，通过弱写脉冲产生集体自旋波激发并发射出关联光子。这些光子经过PPLN波导中的差频过程完成量子频率转换，随后在Charlie节点发生干涉。窄带滤波模块抑制噪声，由SNSPD探测器进行检测。探测器的一次有效点击抹去光子路径信息，从而将两端原子存储器投影到纠缠态。

为解决长光纤相位锁定难题，研究团队发展了结合全时与分时的双波长三频相位锁定技术，大幅提升了超长光纤情形下光子锁相的长期稳定度。实验结果显示，直至420公里，来自两个冷原子量子存储器的出射光子均能保持稳定的单光子干涉，存储器间的量子纠缠也得到直接验证。

这一成果不仅实现了存储器间纠缠距离的大幅提升，还在纠缠分发成功率上取得重要突破。直接纠缠分发的成功率正比于整个信道的传输效率，而该实验采用单光子干涉进行纠缠连接，纠缠成功概率仅正比于一半信道的传输效率，在远距离情形（230公里以上）下可以突破量子纠缠直接分发的理论界限（PLOB界限）。相关研究成果以编辑推荐的形式发表在《物理评论快报》上。

图1展示了实验总体布局：Alice与Bob节点产生写出光子并完成频率转换，信号经长光纤到达Charlie节点进行干涉和探测。这一突破性成果标志着城际尺度量子网络构建关键技术验证通道的打通，为未来量子互联网的发展奠定了坚实基础。