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8.37G · 2025-11-08
alixixi 11 月 8 日消息，量子计算长期以来被视为未来计算革命的关键，但其发展面临一项根本性挑战 —— 如何在长距离传输中保持量子信息不被破坏。传统光纤通信受制于量子态退相干问题，目前量子计算机之间的有效通信距离通常仅为几公里。
对此，美国芝加哥大学普利兹克分子工程学院助理教授 Tian Zhong 领导的研究团队通过创新的材料制造方法，使量子通信的理论距离扩展至约 2000 公里，比此前纪录提高近 200 倍。
这一成果标志着实现全球量子互联网的技术条件首次“触手可及”。Tian Zhong 表示，“这是我们首次看到全球量子互联网的实现变得切实可行。”
相关研究成果已于 2025 年 11 月 6 日发表在《自然・通讯》上，论文题目为《具有长寿命相干性的双外延电信波段自旋-光子接口》。
量子通信的核心在于纠缠态的保持。纠缠原子能够让空间上分离的量子计算机共享量子信息，但一旦退相干发生，信息即刻丢失。科研团队的实验使掺铒（erbium）原子的量子相干时间从以往的 0.1 毫秒提升至超过 10 毫秒，个别样本甚至达到 24 毫秒。理论上，这意味着量子信号可在 4000 公里范围内保持有效。
科研团队指出，这一飞跃并非依赖新材料的发现，而是源自制造工艺的根本变革。以往用于量子光-物质接口的稀土掺杂晶体多采用柴可拉斯基法（Czochralski method）制备，即在 2000 ℃ 以上高温熔融后缓慢冷却成晶。随后，研究人员再通过物理或化学方式将其“雕刻”成所需元件，这一过程费时且精度有限。
此次突破采用了分子束外延（Molecular-Beam Epitaxy，MBE）技术，这种方法更类似于“原子级 3D 打印”。它通过逐层沉积材料、精确控制原子排列，实现从底层构建的晶体生长。“我们从零开始，一层层堆叠这些原子，几乎达到原子级纯净度，使原子的量子相干性能达到前所未有的水平。”
MBE 技术虽然早已用于半导体领域，但此前从未被应用于稀土掺杂晶体的量子信息研究。该团队与材料合成专家杨树龙（Shuolong Yang）助理教授合作，将 MBE 工艺专门优化用于量子网络所需的稀土材料制备。所得外延薄膜在电信波段展现出稳定的自旋-光子接口，并与现有光纤通信基础设施兼容。
光子学与量子通信领域专家、光子科学研究所教授于格・德・里德马滕（Hugues de Riedmatten）对该成果给予高度评价。他指出：“这项研究展示了自下而上的精密纳米制造技术如何实现具有优异光学与自旋相干性能的单稀土离子量子比特，并构建出适用于光纤网络的长寿命自旋-光子接口。这是量子网络可扩展化迈出的重要一步。”
下一步，研究团队将重点验证其实验可行性，其实验室正在搭建一套包括三台稀释制冷机的局部量子网络，用以模拟长达 1000 公里的光纤量子通信场景。团队计划先在实验室内部通过线缆线圈进行“超长距离”连接测试，再逐步扩展到更大规模的网络架构。
研究人员认为，这项突破不仅能为构建真正的量子互联网奠定基础，还可能推动安全通信、分布式量子计算以及量子增强传感等领域的发展。未来，量子计算机有望像今天的互联网节点一样，实现跨城市、跨国家的实时量子连接。
alixixi附论文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-025-64780-6
