【儀表網 研發快訊】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。相關成果已于 2025 年 8 月 26 日發表在國際學術期刊《自然·物理》(Nature Physics)上。
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(Quantum Relay)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 [Nature Photonics 19, 387 (2025)] 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(如圖 1 所示)。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。
圖1 五節點網絡結構示意圖。外側Alice和Bob為用戶節點， MA與MB為測量節點，NS為單光子節點，各節點間以光纖鏈接，其中，MA、MB與NS為量子中繼節點。
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。
該研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院、安徽省、上海市和新基石科學基金會等的支持。鄒密，何玉明，黃溢智，趙軍一為文章的共同第一作者。
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