中國科大實現基于單光子源的多中繼量子網絡架構

中國科學技術大學潘建偉、陳騰云、陸朝陽等與清華大學馬雄峰合作，基于團隊自主研制的高品質單光子源，在國際上首次突破此前量子網絡限于單個中繼節點的技術瓶頸，成功構建出包含多個量子中繼節點的可擴展網絡架構。這一進展為量子網絡從“單節點連接”向“多節點組網”的跨越奠定關鍵基礎，使更復雜的多層量子網絡構建成為可能。這也充分展現了模塊化設計的靈活性與信號傳輸的高效性，為未來大規模量子網絡的落地提供了堅實支撐。8月26日，相關成果發表于《自然-物理》。

五節點網絡結構示意圖。中國科大供圖

量子網絡是量子信息科學的核心研究方向之一，其目標是連接各類量子系統，為未來量子計算、量子密碼學及量子計量學等領域提供關鍵基礎設施。當前，量子網絡的實現仍較多依賴經典中繼節點——這類節點無法直接傳輸量子信息，僅能將量子信息轉換為經典數據進行處理，因此網絡安全性需依賴中間節點的自身安全性。相比之下，無需復雜量子操作或設備的量子中繼利用量子疊加與量子糾纏特性可實現量子信息的安全高效傳輸，其核心優勢在于網絡的安全性完全獨立于中繼節點本身，即便節點為“不可信節點”，網絡的安全性也能得到保障，這可大幅降低節點的安全性部署與維護成本。如何將量子網絡擴展至包含多個量子中繼節點，同時兼顧擴展效率、安全性與可靠性，是推進量子網絡發展的關鍵挑戰之一。

針對這一問題，研究團隊提出并實驗實現了全新的五節點量子網絡架構：在傳統三節點網絡基礎上，將團隊此前研制的高性能量子點單光子源作為核心中繼單元，與兩側的干涉測量節點協同工作，共同構成三個量子中繼節點。通過優化單光子源與相干光的強度配比及探測時間窗，團隊將干涉可見度提升至90%，確保該五節點網絡架構能通過干涉測量穩定、高效地傳遞量子信息。這一設計不僅提升了網絡的安全性與靈活性，還具備模塊化擴展潛力——可支持構建三層星型網絡等復雜拓撲結構，同時能提高單鏈路信噪比；此外，基于半導體芯片的量子點中繼節點作為不可信節點使用，大幅降低了網絡部署成本，增強了實際應用中的適應性，為大規模量子網絡的落地提供了可行方案。

為驗證該網絡結構的功能，研究團隊采用相位匹配量子密鑰分發協議，在總長300公里的光纖鏈路中成功實現了密鑰的安全分發。這一結果不僅證實了該架構在長距離量子通信場景中的可行性，也體現了單光子源作為量子中繼核心單元的應用潛力，為未來構建覆蓋范圍更廣、安全性更高、靈活性更強的量子網絡奠定了基礎。

相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41567-025-03005-5