近日，我校數(shù)理學(xué)院教師李淵華聯(lián)合上海交通大學(xué)陳險(xiǎn)峰、鄭遠(yuǎn)林課題組首次提出了一種量子通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建新方案，基于多用戶糾纏交換實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)的量子融合。相關(guān)研究成果以“Quantum fusion of independent networks based on multi-user entanglement swapping”為題發(fā)表在國際頂級(jí)期刊Nature Photonics (DOI : 10.1038/s41566-025-01792-0)上。李淵華老師為本文第一通訊作者，上海電力大學(xué)為論文通訊署名單位。

作為典型的量子力學(xué)平臺(tái)，基于糾纏的量子網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)許多重要應(yīng)用，如安全通信、分布式量子傳感和量子力學(xué)的基礎(chǔ)測(cè)試等等。近年來，全連接量子通信網(wǎng)絡(luò)因其能實(shí)現(xiàn)多用戶間同時(shí)通信，并最大限度減少基礎(chǔ)設(shè)施與硬件需求，而受到廣泛關(guān)注。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是構(gòu)建全連接量子互聯(lián)網(wǎng)的重要候選方案，或?qū)氐赘淖兾磥硇畔⒔粨Q方式。然而，現(xiàn)有量子網(wǎng)絡(luò)基本上是為了實(shí)現(xiàn)用戶在自己網(wǎng)絡(luò)中通信而構(gòu)建的（圖a）。如何橋接不同的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)并形成一個(gè)完全連接的量子互聯(lián)網(wǎng)，已經(jīng)成為未來量子網(wǎng)絡(luò)面臨的緊迫挑戰(zhàn)之一。

獨(dú)立量子網(wǎng)絡(luò)融合概念圖

要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)的融合需要解決兩個(gè)關(guān)鍵難題：首先，兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)需要具有完全連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以便它們的用戶可以相互通信（圖b-d）；其次，它需要同時(shí)對(duì)所有涉及的糾纏態(tài)進(jìn)行高質(zhì)量的糾纏交換。

在本項(xiàng)工作中，我們針對(duì)量子融合中的關(guān)鍵科學(xué)問題，開創(chuàng)性地提出了一種全新的量子通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建新方案，即主動(dòng)時(shí)間-波長復(fù)用方案（ATWM方案）（圖e,f）。該方案中，每個(gè)用戶只接收一個(gè)由分別與其他N-1個(gè)用戶糾纏的N-1個(gè)時(shí)間上獨(dú)立光子組成的波長信道。量子處理器將2N-3個(gè)在波長和時(shí)域上具有特定設(shè)計(jì)的定制泵浦脈沖通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）過程產(chǎn)生量子糾纏光子對(duì)。隨后，糾纏光子對(duì)通過量子信道分發(fā)給最終用戶。為了有效區(qū)分不同的光子對(duì)，我們使用時(shí)間復(fù)用方案來分離不同的泵浦脈沖。因此，用戶可以根據(jù)光子到達(dá)時(shí)間區(qū)分不同的糾纏態(tài)。由于自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程中的能量守恒，下轉(zhuǎn)換光子對(duì)是頻率-時(shí)間糾纏的，其光譜相對(duì)于泵浦的中心波長是對(duì)稱的。所以，用戶的所有對(duì)稱波長信道可以共享不同的糾纏態(tài)，從而創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)的全連通圖。

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，我們利用ATWM方案構(gòu)建了兩個(gè)包含10用戶的全連接量子網(wǎng)絡(luò)。通過執(zhí)行多用戶糾纏交換，我們將這兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)最終合并成一個(gè)具有18個(gè)端節(jié)點(diǎn)的更大的完全連接的量子網(wǎng)絡(luò)。得益于ATWM方案，每個(gè)端節(jié)點(diǎn)僅包含一個(gè)波長信道，并且可以根據(jù)光子到達(dá)時(shí)間區(qū)分每個(gè)量子態(tài)，這為同時(shí)在多個(gè)用戶之間進(jìn)行高可見性HOM干擾提供了先決條件。兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供商可通過仔細(xì)調(diào)整泵浦脈沖的延遲使相應(yīng)信號(hào)重疊，以實(shí)現(xiàn)來自不同網(wǎng)絡(luò)的任意兩個(gè)用戶之間的糾纏交換。

為了保證糾纏交換的高質(zhì)量，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都必須確保最終用戶與其他用戶共享高質(zhì)量的偏振糾纏態(tài)。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，我們使用標(biāo)準(zhǔn)雙光子干涉技術(shù)，通過測(cè)量兩個(gè)相互無偏基底中的雙光子干涉條紋測(cè)量了網(wǎng)絡(luò)的偏振糾纏。每種狀態(tài)的干涉條紋的可見度都高于95%，揭示了所有可用信道對(duì)中偏振糾纏的存在。

糾纏交換后，我們通過測(cè)量所有相關(guān)光子對(duì)的先前不相關(guān)光子的糾纏以證實(shí)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的糾纏交換是否成功。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，糾纏交換后偏振糾纏態(tài)的平均保真度為（84.5±2）%。最終，在多用戶糾纏交換后，兩個(gè)10用戶完全連接的網(wǎng)絡(luò)在量子相關(guān)層合并為一個(gè)18用戶網(wǎng)絡(luò)。所有終端用戶都可以通過使用基于糾纏的量子密鑰分發(fā)協(xié)議相互通信。

本研究提出的ATWM方案可用于構(gòu)建具有全連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高性能大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，我們的方法為在不同網(wǎng)絡(luò)中的遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)之間建立量子糾纏開辟了有吸引力的解決方案，這有助于實(shí)現(xiàn)多功能的量子信息互連，并在構(gòu)建大規(guī)模城際量子通信網(wǎng)絡(luò)方面具有廣泛的應(yīng)用。

本研究得到了國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市級(jí)重大專項(xiàng)、上海市教委及科委、廣東省量子科學(xué)戰(zhàn)略專項(xiàng)支持。

Nature Photonics（影響因子：32.9）是Nature雜志的主干子刊、國際知名的光子學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊，致力于探索光子學(xué)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用和影響。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-025-01792-0

數(shù)理學(xué)院 供稿