近期，合肥国家实验室、中国科学技术大学潘建伟、包小辉、张强研究团队，联合济南量子技术研究院、中科院上海微系统与信息技术研究所等多家单位协同攻关，在远距离量子中继核心技术上取得标志性进展。团队利用光纤链路，完成两套冷原子量子存储器间 420 公里远程纠缠;同时实验证实，当传输距离超 230 公里时，这套搭载量子存储的纠缠分发方案，性能超越无中继直传信道的理论上限。 该成果大幅刷新光纤链路下原子量子存储纠缠距离纪录，打通城际量子组网关键技术验证通道，相关论文已于2026年8月11日刊发于《物理评论快报》，并被期刊遴选为编辑推荐亮点成果。
PART 01
为什么要让量子存储器隔着420公里“握手”
光子善于传递，量子存储器善于等待。远距离量子网络真正需要的，不只是把纠缠光子送到远方，还要在节点中保存纠缠，等待后续的读取、交换与组网操作。因此，相比单纯的光子纠缠分发，存储器与存储器之间的远程纠缠更接近量子中继和分布式量子信息处理的核心需求。
难点在于，原子存储器产生的写出光子位于780 nm波段，在标准光纤中的衰减约为3.5 dB/km，无法直接承担数百公里传输。研究团队利用量子频率转换，将光子转换到1522 nm电信S波段，使光纤纯衰减降低到约0.17 dB/km，为超长距离链路打开窗口。
图1 实验总体布局：Alice与Bob产生写出光子并完成频率转换，信号经长光纤到达Charlie节点干涉和探测。
PART 02
一束单光子，如何把两端量子存储器纠缠起来
01 在两端生成“原子激发与光子”的关联
Alice和Bob分别使用冷原子系综作为量子存储器。弱写脉冲使原子系综产生一个集体自旋波激发，同时发射一颗780 nm写出光子。此时，原子激发与光子处于量子关联状态。
02 把780 nm光子转换到1522 nm电信波段
研究团队通过PPLN波导中的差频过程完成量子频率转换。转换与滤波模块在本地连接测试中实现约44%的端到端效率，噪声约3.2 kHz，信噪比大于40:1，并保持单光子统计特性。
03 在中间节点干涉，并用一次点击宣告纠缠
来自两条路径的1522 nm写出光子在Charlie节点的分束器上发生干涉。窄带滤波模块抑制量子频率转换和长光纤引入的拉曼噪声，随后由两台SNSPD进行探测。探测器的一次有效点击抹去光子“来自Alice还是Bob”的路径信息，从而将两端原子存储器投影到纠缠态。D1与D2的点击分别宣告Ψ+与Ψ-事件。
04 稳定相位，再把存储态读出来验证
数百公里光纤中的温度和机械扰动会持续改变相位。团队结合全时远失谐锁定与间歇双频锁定，分别抑制高频噪声和补偿低频漂移，使整体相位稳定度保持在约7度。随后将存储的自旋波重新读出为光子，通过干涉可见度和光子统计量验证存储器纠缠。
图2 双环路相位稳定方案及不同光纤长度下的稳定结果。420公里条件下，远程相位测试可见度仍为0.93(4)。
PART 03
赋同SNSPD：探测器的点击就是“成功信号”
在常规测量中，探测器常被理解为“记录结果”的终端;而在DLCZ远程纠缠方案中，SNSPD的点击本身就是事件逻辑的一部分。只有中间节点可靠地捕获到真实单光子，系统才能宣告两端量子存储器已经纠缠。
本实验中用于Charlie节点的SNSPD系统由赋同量子提供设备支持。论文给出的实验工作点显示，两台低暗计数探测器的暗计数约为1 Hz，相比常规SNSPD探测器低了一个数量级以上。为什么低暗计数尤其关键? 随着链路延长，真实信号经过近80 dB损耗后降到赫兹量级，随机暗计数却不会随光纤长度一起衰减。一次暗计数可能被误判为纠缠成功事件，直接拉低信噪比、干涉可见度和纠缠判据。论文明确指出，在长距离条件下，SNSPD暗计数逐渐主导噪声来源。
图3 Charlie节点探测链路局部：1522 nm信号经干涉和窄带滤波后进入两台SNSPD。
在420公里、总光纤损耗78.7 dB的条件下，D1与D2通道对应的信噪比分别为3.5(2)和2.6(2)。其中，D1点击宣告的Ψ+态得到并发度C = 0.046(22)，在统计误差范围内实现对纠缠的正向验证。对这一极弱信号实验而言，低噪声探测不是锦上添花，而是让有效纠缠事件从背景中显现出来的必要条件。
PART 04
从420公里数据看，这项突破究竟在哪里
研究团队在0、20、120、220、320和420公里六组光纤长度下进行了系统测量。随着距离增加，光纤损耗从8.0 dB一路上升到78.7 dB，但两套存储器的读出干涉仍保留可观测的相干性。420公里时，Ψ+与Ψ-通道的读出干涉可见度分别为0.64(6)和0.66(4)。
图4 不同光纤长度下的双节点纠缠验证结果。图源：原论文Fig. 3。
更关键的是，420公里条件下每次实验尝试的纠缠生成概率仍达到1.09 x 10^-6。论文比较了实验结果与PLOB界限，即无量子中继的纯损耗信道所允许的容量上限。当信道透过率低于10的负4.5次方，对应实验距离超过约230公里时，存储器辅助的纠缠生成概率高于该界限。
这意味着实验不只是把一次脆弱的量子关联“送得更远”，而是在高损耗区间展示了量子存储器方案相对于无中继直接分发的结构性优势。
图5 不同距离的实验结果与PLOB界限比较。红色实验趋势在高损耗区间越过蓝色虚线界限。图源：原论文Table I与Fig. 4。
PART 05
从都市网走向城际量子网络
这项实验把量子存储、频率转换、相位稳定、超低损耗光纤和单光子探测集成到同一套长距离测试平台中，验证了从都市尺度迈向城际尺度的关键技术链。未来，通过进一步提高量子频率转换效率、延长量子存储寿命、实现更接近确定性的原子态读出，并在多个远程纠缠链路之间执行纠缠交换，有望把单段实验能力扩展为多节点量子网络。
从一颗写出光子的产生，到420公里光纤传输，再到中间节点的一次探测器点击，最终被读取为两端量子存储器的纠缠证据，这条链路把多个极限环节紧密连接在一起。每一次可靠点击背后，都是对效率、噪声和稳定性的共同考验。当单光子探测足够安静、足够稳定，原本淹没在背景中的量子事件，才有机会成为可验证、可存储、可扩展的网络资源。
论文信息
正式论文：Xi-Yu Luo et al., Phys. Rev. Lett. 137, 070801 (2026), Editors' Suggestion.
预印本与补充材料：Entangling quantum memories over 420 km in fiber, arXiv:2504.05660.
