“星汉二号”多模式量子中继艺术示意图：跨越城市的量子存储纠缠。
如何让量子信息在光纤中传输上千公里而不丢失？科学家不断改进光量子“接力”的办法。近日，中国科学技术大学团队在《自然·光子学》上发表研究成果，提出一种新型量子中继方案，并在安徽省合肥市建成“星汉二号”多模式量子中继网络，首次实现了14.5千米的量子存储器纠缠，有望成为未来量子网络的根本性技术路线。
构建量子互联网长期面临一个“拦路虎”：光纤的固有损耗会导致量子信号的传输效率随距离呈指数衰减。在1000千米标准光纤中直接传输纠缠光子，信号会衰减至原始强度的万亿亿分之一，这意味着即使每秒发射100亿对纠缠光子，平均每300年才能接收到一对。
于是，科学家通过量子中继将长距离信道分解为多段短程链路，分段建立量子存储的纠缠后再连接，从而克服光纤信道中的损耗。传统的量子中继协议主要有两类。“单光子干涉”仅需在中间站探测到一个光子，速率较高，但对光纤信道相位抖动极其敏感，环境噪声会让保真度大打折扣；“双光子干涉”则需同时探测到一对光子，保真度提高，但两个光子同时到达的概率极低，速率自然减慢。因而采用传统方法，科学家不得不在速率和保真度之间做取舍。
为解决这一两难困境，中国科大团队提出了基于时间测量的多模式量子中继方案，允许一对光子“一先一后”到达中间站点，通过精确测量它们到达的时间差，把信息反馈给两端的存储器，再借助多模式量子存储，实现任意延时纠缠光子的按需读取。
团队研究人员、中国科学技术大学物理学院教授周宗权解释，不要求两个光子同时到达，那么测到一对光子的概率大大提升，纠缠速率也随之提高。同时，两个光子到达的时间差仅在微秒量级，城市光纤相位还来不及抖动，保真度也有了保障。
“星汉二号”多模式量子中继，实现相距14.5公里的量子存储纠缠。
在此理论基础上，研究团队在合肥市建立了“星汉二号”多模式量子中继光纤网络，包含三个站点：中国科大与合肥国家实验室各部署一个量子存储器，中国联通机房作为中间站点，执行光子的探测与预报。
两个量子存储器的直线距离达14.5千米，是迄今直线间距最远的量子存储纠缠。实验结果显示，该系统城域量子纠缠分发速率达0.94赫兹，比此前国际最好水平提升百倍以上，而且纠缠保真度达78.6%，首次在城域距离上完成了量子非局域性的实验检验。
周宗权表示，从实验室走向真实城市网络，环境要复杂得多，道路建设、地铁运行都会扰动光纤稳定性。而且，相距十几千米的两个量子存储节点之间无法再共享激光器和电子学设备。团队的原创方案使得两个存储节点能够完全独立运行，无需对城市光纤做任何特殊的相位锁定，系统就能方便地在现有光纤网络基础设施上跑起来。
周宗权说：“相信这种去除繁杂相位锁定的方法，将成为未来量子网络的一种代表性实现方案。”未来，团队计划将量子网络从城域覆盖拓展到城际乃至更远距离，并通过超长寿命的可移动量子存储，实现移动节点的网络接入。
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