“星汉二号”上顶刊！量子中继走出实验室，中国方案破解30年难题

5月7日，国际权威学术期刊《自然·光子学》在线发表了来自中国科学技术大学的一篇研究成果：郭光灿院士团队李传锋、周宗权、黄运锋等人在安徽省合肥市成功建成“星汉二号”多模式量子中继网络，实现了远达14.5公里的远距离物质纠缠，保真度达78.6%。

《自然·光子学》审稿人评价指出，该方案解决了量子中继协议中长期存在的速率与保真度矛盾难题，其纠缠分发速率超过此前城域量子中继方案上百倍。这一突破标志着多模式复用技术从实验室原理验证推进到了城市网络环境中的实际应用展示，为未来全球量子互联网的建设提供了一条切实可行的根本性技术路线。

什么是量子中继？

——量子世界里的“远程接力赛”

要理解量子中继，首先要理解量子通信面临的一个根本性难题：信号衰减。在经典通信中，光信号在光纤中传输时可以通过放大器增强信号，但量子信息具有“不可克隆定理”——无法像经典信息那样被复制放大。一旦试图复制，量子态就会被破坏。

这个物理定律造成的后果极其严峻：在1000公里标准光纤中直接传输纠缠光子，信号会不断衰减，这意味着即使以每秒发射100亿对纠缠光子的速率，平均每300年才能在另一端接收到一对纠缠光子。正因如此，量子中继应运而生。

量子中继本质上是一个“量子接力系统”。它将一条长距离的光纤信道分割成若干段短程链路，在每个链路的两端建立量子纠缠，再利用“纠缠交换”技术将这些短程纠缠连接起来，最终实现远距离两端的有效纠缠分发。

然而，构建一个实用化的量子中继面临一个核心矛盾：此前量子中继协议主要分为两类——单光子干涉方案，速率较高但保真度易受信道相位抖动影响；双光子干涉方案，保真度高但速率极低。速率与保真度之间的权衡，成为制约量子中继走向实际应用的长期难题。

中国科大的突破性方案则另辟蹊径：团队提出了基于时间测量的多模式量子中继方案，不再苛求一对光子同时到达中间站点，而是允许它们“一先一后”到达，通过精确测量时间差来预报纠缠，并借助多模式量子存储实现任意延时纠缠光子的按需读取。这一创新成功结合了两种方案的优势，既实现了高速率，又保持了高保真度。更值得一提的是，基于时间测量的多模式复用方案可直接兼容现有的光纤网络基础设施，这大大降低了未来量子互联网的部署成本。

量子中继将改变什么？

——量子互联网的关键技术

1998年，Briegel等人首次提出了“量子中继器”的概念，为解决长距离纠缠通信问题勾勒出初步蓝图。此后科学家们持续发力，形成了一系列渐进式突破，“星汉二号”多模式量子中继网络实现了迄今为止公开报道中最远距离的物质纠缠，标志着团队此前发布的“星汉一号”多模式量子中继从实验室原理验证推进到城市网络环境中的应用展示，完成了理论与应用之间的关键一跳。

量子中继的应用前景可以用三个层次来理解。

第一个层次是量子密钥分发。这正是目前最接近实用的方向。基于纠缠的“器件无关量子密钥分发”被认为是实现现实条件下最高安全等级的量子保密通信。未来银行结算、政务传输、军事通信等敏感信息的传递，有望获得来自量子物理本身的绝对安全保障。

第二个层次是量子计算机的互联。量子计算终局形态很可能是分布式量子计算集群。量子中继是构建未来量子互联网的关键技术。

第三个层次是构建真正的全球量子互联网。如果说卫星可以解决跨洲际的量子通信，那么地面中继网络或可与卫星链路无缝对接，形成覆盖“太空—地面”的立体量子通信网络。

为何全球都在争夺量子中继制高点？

——信息安全的根本命脉

量子中继之所以成为各国科技竞争的焦点，原因在于它触碰到了未来信息安全的根本命脉。

量子中继若成功落地并大规模部署，将催生第一个硬件层级上不可破解的通信网络。量子通信的“物理层安全”特性——任何窃听行为都会不可避免地改变量子态从而暴露自身，量子通信可抵御包括量子计算机在内的所有已知攻击手段。这正是全球主要国家纷纷将量子通信纳入国家级战略、投入巨额专项基金的根本原因。

从产业发展层面看，量子中继的突破还将拉动从长寿命量子存储器、高效离子—光子通信接口到高保真度单光子纠缠协议等全链条核心器件的国产化，带动上游材料和下游集成应用的协同发展。在当前背景下，量子信息被普遍视为关乎国家技术主权与数字经济安全的战略性高地。

中国在量子领域发展

——量子技术专利申请最多

麻省理工学院联合埃森哲发布的《2025量子指数报告》：全面梳理了全球量子技术相关学术研究、专利分布、风险投资、技术生态等方面的最新进展。

学术研究上看，量子计算领域中国学术出版物最多，但美国研究质量和影响力更高；量子通信领域中国发文量、研究质量和影响力均领先；

量子技术专利申请大幅增长，中国申请最多；2014年至2024年，中国量子技术专利申请量从1011件激增至7308件，全球占比从42%扩大至60%；美国同期申请量从613件增至2301件，占比稳定在19%左右。值得特别指出的是，美国专利商标局授予的量子计算专利最多，而中国国家知识产权局授予的量子通信专利最多——这表明中美两国在量子技术生态上正沿着不同的优先级方向演进。

自2012年起，全球风险资本开始加大对量子技术领域的投资，投资规模既有爆发式增长，也经历了多次回落。直到2024年约恢复至2022年的峰值。全球范围来看，美英量子公司获得投资最多，集中获得了全球60%相关风投。

量子处理器领域竞争激烈，量子处理器（QPU）是量子计算的核心。截至2024年4月，全球共有40个可商用QPU。从国别分布看，美国有16个，中国、芬兰、挪威各有4个，法国3个，日本、加拿大、英国各2个，奥地利、澳大利亚、德国各1个。

量子网络是基于量子力学原理使用新方式传输信息的新兴通信系统。目前，量子网络平台是美欧国家构建量子网络的优先事项，共有28个量子网络测试平台。活跃中的量子网络测试平台，美国有7个，欧洲地区有12个。

参考资料：

新华每日电讯：《实现14.5公里远距离物质纠缠 中国科学家取得新突破》；中国科大新闻网：《中国科大构建可扩展量子中继的基本模块，实现量子网络研究的重大突破》；武汉大学 易孝锋：《半导体量子点量子中继器》；通信世界网 张述照：《全球量子通信产业发展特点及我国应对策略建议》；中国国际科技交流中心网：《麻省理工学院发布2025量子指数报告》等。

（大众新闻记者 徐佳）