未来产业进行时12
在城市之间构建一张牢不可破的量子通信网络，一直停留在物理学家的理论蓝图上。
中国科学技术大学潘建伟、包小辉、张强团队联合济南量子技术研究院、中国科学院上海微系统所，成功实现420公里光纤链路下两个冷原子量子存储器的量子纠缠构建，同时在230公里以上距离，突破无中继量子纠缠分发的PLOB理论极限，有望为构建量子城际网提供技术“底座”。
相关研究成果，8月11日发表于国际期刊《物理评论快报》。
量子纠缠距离为何难突围
量子纠缠，被爱因斯坦称作“幽灵般的超距作用”。通俗来讲，就是两个纠缠的量子比特如同心意相通的双胞胎，无论相隔多远，一方状态发生改变，另一方会瞬间同步响应。
原理奇妙，但想让这种纠缠状态在数百公里的光纤中稳定存续，是世界级科研难题。
“常规标准光纤中，光子传输100多公里后，信号就会衰减到难以被探测。”8月18日，中国科学院计算技术研究所工程师刘延嘉接受科普时报记者采访时，将这一特征比作是在嘈杂的操场一端轻声说话，想让几百米外的人清晰听见，难度极大。
常规通信的远距离解决方案是搭建中继站、放大信号，但量子通信有着严苛的底层规则：量子态不可复制。“也就是说，量子纠缠这种奇妙的关联无法被‘复印’复刻——一旦对信号进行测量或放大，量子态就会坍缩、引入噪声，原本的纠缠也随之被破坏。”刘延嘉说。
为解决这一难题，科研团队想出了两个妙招：一是把量子存储器的波长从795纳米调到780纳米，再通过量子频率转换变成1522纳米的电信波段——这个波段在光纤里损耗最低；二是发明了一套“双波长三频相位锁定技术”，让它在几百公里光纤里不会“跑偏”。
量子中继距离从此前的50公里到现在的420公里，并不是简单的数字变化，而是从“城市内”到“城市间”的跨越。
量子城际网的关键一步
有人好奇，这次技术突破到底特殊在哪？答案藏在一个拗口的词里——PLOB界限。
PLOB界限，全称Pirandola-Laurenza-
Ottaviani-Banchi界限，指的是在不使用中继、直接分发量子纠缠时，给定信道损耗下每次信道使用所能达到的最高纠缠分发速率。
“这就好比两个小朋友隔着帷幔互相扔纸团，帷幔越厚，能顺利穿过、被对方接住的纸团就越少。在没有帮手的情况下，这个‘传输量’存在一条无法逾越的理论天花板。”刘延嘉说，以往的科研实践中，无中继纠缠分发一旦超过230公里，纠缠成功率便会断崖式下跌，是城际量子组网的瓶颈。此次突破PLOB理论极限，是中继方案第一次在实验中证明自己比“直接硬传”更胜一筹。
为什么这一步如此关键？
因为，量子存储器是量子中继器的“心脏”。远程量子纠缠可以支持量子密钥分发（QKD）、量子计算机互联、分布式量子精密测量等应用，但要搭建大尺度量子通信网络，必须把长链路拆成多段短链路，再做纠缠交换拼接成远程纠缠。
也就是说，没有高性能量子存储器，量子城际网就是空中楼阁。
规模化应用到底有多远
这项技术突破，能让量子城际网落地吗？
实话实说，底座已经铸就，整栋大楼还在施工中，但“样板间”已建成——
目前，我国在合肥、上海、北京、广州等16个重点城市已经建成了成熟的量子城域网；运营商推出的“量子密话”“量子密信”业务，用户规模已突破数百万……
但是，量子城域网中给传统通信加密的QKD技术，跟此次突破的量子中继技术之间存在着技术代差。更重要的是，从420公里的实验室原型到遍布全国的量子城际网，中间还有好几道坎要迈：一是提高纠缠分发的成功率；二是让设备更稳定、更小型化，能从实验室搬到真实的光纤网络里；三是降低成本，让普通人也用得起。
目前，中国电信计划在国内建设更多的量子城域网。如果量子中继技术进一步迭代成熟，这些量子“城市孤岛”就有望逐步连接起来，形成一个真正的城际量子网络。
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延伸阅读
量子城域网：量子通信的“落地版本”
提及量子通信网络，很多人容易把量子城域网、量子城际网、量子互联网混为一谈。其实，它们处在完全不同的发展阶段。
量子城域网，是已经落地应用的量子通信网络，而另外两种还处在实验室中。
量子城域网并不远距离传输量子粒子实现量子纠缠，但任务也十分明确：生成独一无二的加密密钥，为日常通信加上专属“安全锁”，及时察觉窃听行为，终止通信，从源头上规避信息泄露风险。
一座量子城域网，会依托城市光纤，把政务中心、银行、医疗机构、科研单位等重要节点相互连通。
在合肥、上海、广州等16城，量子加密早已投入实战。金融机构利用它保护交易数据，政务系统借助它稳妥传输涉密材料，面向大众的量子密话、量子密信，也让普通用户体验到量子安全技术。
简单来说，量子城域网不需要量子存储器与量子中继，它服务的当下，侧重信息加密；420公里量子纠缠实验攻关的量子中继技术，则面向的未来，是构建量子城际网、量子互联网的核心技术基础。一近一远，共同铺就量子通信的发展道路。