14.5公里，量子“鹊桥”首次跨过金标准

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14.5公里，量子“鹊桥”首次跨过金标准

中国团队在合肥城区实现量子中继的贝尔非局域性验证，成果登上《自然·光子学》

量子通信的最大敌人，是光纤里的损耗。信号每走一公里，就衰减一截，传到上百公里外，基本已经“查无此信”。

为了把量子信号传到更远的地方，科学家发明了量子中继。它的思路很朴素：把一条长路切成几段，每段建一个“驿站”，在驿站里把量子态暂存下来，再一段一段接力传下去。如果类比牛郎织女的传说，量子中继就是搭建在光纤星河上的“鹊桥”。

但桥要结实，必须过一道硬门槛——贝尔非局域性验证。简单说，就是拿出严格证据，证明桥梁两端粒子的纠缠是真正的“心灵感应”，而不是事先串通好的假把戏。这个被称作量子纠缠“金标准”的测试，在城域级别的量子中继中，之前从未有人做到过。

5月7日，中国科学技术大学郭光灿院士团队在《自然·光子学》上在线发表论文，宣告“星汉二号”多模式量子中继网络在合肥建成，首次在14.5公里的城域量子中继上，跨过了贝尔非局域性的金标准。

量子中继领域长期存在一道两难选择题：方案A速率快，但产生的纠缠质量较低，过不了贝尔测试；方案B质量高，保真度够，但速率慢到几乎无法实际使用。快的不够好，好的不够快。

郭光灿团队这次没有在两条路中纠结，而是另辟蹊径，提出了一种基于时间测量的多模式量子中继方案。核心想法并不复杂：过去，两个光子必须“同时”到达中间驿站，才能确认纠缠成功。这种苛刻的同步要求，恰恰是速率低下的根源。

新方案索性放弃了对“同时到达”的执念。光子可以先来后到，只要用皮秒级精度的时钟，测量出它们到达的时间差，就能精确反推出纠缠是否建立。再配合能够暂存多个量子态的大容量量子存储器，就像增设了多个缓冲区，把一先一后到达的光子一个个接住，再按需读出。

这样一来，“高速率”和“高保真度”第一次在城域光纤里被同时拿到手。实验数据显示，两个固态量子存储器相距14.5公里，产生的贝尔态保真度达到78.6%，远超经典极限的66.7%；CHSH不等式违反达3.7个标准差，为贝尔非局域性提供了确凿证据。纠缠分发速率更是比传统方案提升了上百倍。

另一个让人兴奋的点在于，整个系统没有使用复杂的光纤相位稳定装置，直接接入合肥城区的普通商用光纤就能稳定运行。这意味着，“星汉二号”所用的技术路线，天然兼容现有的通信基础设施，不必把城市地下的光纤翻个底朝天。同时，系统中的关键设备由团队自主研制，避免了核心部件受制于人。

当然，14.5公里只是一个新起点。要建成横跨数百乃至上千公里的量子互联网，还需要更多的中继节点、更长的存储时间，以及更大的多模式容量。但正如一位审稿人所评论的，“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”。金标准已经跨过，剩下的，就是一步一个脚印地把鹊桥搭得更远。