中国科大实现基于单光子源的多中继量子网络架构

中国科大潘建伟、陈腾云、陆朝阳等与清华大学马雄峰合作，基于团队自主研制的高品质单光子源，在国际上首次突破此前量子网络限于单个中继节点的技术瓶颈，成功构建出包含多个量子中继节点的可扩展网络架构。这一进展为量子网络从 “单节点连接” 向 “多节点组网” 的跨越奠定关键基础，使更复杂的多层量子网络构建成为可能。这也充分展现了模块化设计的灵活性与信号传输的高效性，为未来大规模量子网络的落地提供了坚实支撑。相关成果已于 2025 年 8 月 26 日发表在国际学术期刊《自然·物理》（Nature Physics）上。

量子网络是量子信息科学的核心研究方向之一，其目标是连接各类量子系统，为未来量子计算、量子密码学及量子计量学等领域提供关键基础设施。当前，量子网络的实现仍较多依赖经典中继节点——这类节点无法直接传输量子信息，仅能将量子信息转换为经典数据进行处理，因此网络安全性需依赖中间节点的自身安全性。相比之下，无需复杂量子操作或设备的量子中继（Quantum Relay）利用量子叠加与量子纠缠特性可实现量子信息的安全高效传输，其核心优势在于网络的安全性完全独立于中继节点本身，即便节点为“不可信节点”，网络的安全性也能得到保障，这可大幅降低节点的安全性部署与维护成本。如何将量子网络扩展至包含多个量子中继节点，同时兼顾扩展效率、安全性与可靠性，是推进量子网络发展的关键挑战之一。

针对这一问题，研究团队提出并实验实现了全新的五节点量子网络架构：在传统三节点网络基础上，将团队此前研制的高性能量子点单光子源 [Nature Photonics 19, 387 (2025)] 作为核心中继单元，与两侧的干涉测量节点协同工作，共同构成三个量子中继节点（如图 1 所示）。通过优化单光子源与相干光的强度配比及探测时间窗，团队将干涉可见度提升至 90%，确保该五节点网络架构能通过干涉测量稳定、高效地传递量子信息。这一设计不仅提升了网络的安全性与灵活性，还具备模块化扩展潜力 —— 可支持构建三层星型网络等复杂拓扑结构，同时能提高单链路信噪比；此外，基于半导体芯片的量子点中继节点作为不可信节点使用，大幅降低了网络部署成本，增强了实际应用中的适应性，为大规模量子网络的落地提供了可行方案。

图1.五节点网络结构示意图。外侧Alice和Bob为用户节点， MA与MB为测量节点，NS为单光子节点，各节点间以光纤链接，其中，MA、MB与NS为量子中继节点。

为验证该网络结构的功能，研究团队采用相位匹配量子密钥分发协议，在总长 300 公里的光纤链路中成功实现了密钥的安全分发。这一结果不仅证实了该架构在长距离量子通信场景中的可行性，也体现了单光子源作为量子中继核心单元的应用潜力，为未来构建覆盖范围更广、安全性更高、灵活性更强的量子网络奠定了基础。

该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省、上海市和新基石科学基金会等的支持。邹密，何玉明，黄溢智，赵军一为文章的共同第一作者。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-025-03005-5