最近，中国科技大学、哈佛大学的量子通信论文在同一期《自然》杂志发表，引发业内和社会关注。依托中国科大组建的中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、包小辉、张强等科研人员构建了全球首个基于量子纠缠的城域三节点量子网络；哈佛大学米哈伊尔·卢金团队利用波士顿地区的电信光纤，首次在金刚石SiV（硅空位）色心体系中实现了双节点远距离量子纠缠，光纤距离达到35公里左右。这两项科研突破背后的科学原理是什么？哪个成果的水平更高？它们有什么应用价值？记者采访了中国科大专家团队。基本原理：量子通信为何能防窃听
量子通信的科学原理源于量子力学，这是与经典力学差异很大的物理学分支，也是迄今为止描述微观世界最准确的理论。专家介绍，一个物理量如果不能连续变化，只能取一些分立的值，这个量就是量子化的。宏观世界里的物理量似乎都能连续变化，但在微观世界里，很多物理量是量子化的，即存在一个最小的单位，不能再往下分割。
经典力学描述一个宏观物体的状态，会给出它的明确位置。而量子力学描述一个微观粒子的状态，给出的是叠加态——这个粒子在某些情况下既可能在这里，也可能在那里，没有确定位置。好比孙悟空的分身术，它能同时出现在多个地方，各个分身就像是孙悟空的叠加态。
在通信领域，经典通信的信号只有0和1，量子通信不仅有信号0和1，还有0+1、0-1等量子叠加态。这种叠加原理导致了量子不可克隆原理：在量子力学中，不可能实现对一个未知量子态的精确复制。这是量子通信达到“无条件安全”的基础。
任何经典通信都存在被窃听的可能。窃听时，0和1这两种信号不会被扰动，所以通信双方无法察觉。而量子通信可以将信息编码，加载到单个光子的量子叠加态的偏振方向上。单光子是光能量的最小组成单元，不能再分割，其量子状态无法被精确复制，所以任何窃听行为都会对其造成扰动，从而被通信双方察觉。通过量子态传输，通信双方协商生成量子密钥，再加上对信息进行“一次一密”的加密保护，可实现信息在传输中的完全随机、不可破译，从根本上确保通信安全。
量子纠缠：中国科大效率优势明显
“在量子信息领域，纠缠是非常宝贵的资源。量子通信中，量子密钥分发就是利用纠缠的非定域性，通过比对发送方和接收方手中纠缠的测量结果，确定密钥的安全性。”中国科大博士、“墨子沙龙”科普作家林梅说，当几个微观粒子彼此相互作用后，各个粒子的特性会综合成整体性质，无法描述单个粒子的性质，这种现象被称为“量子纠缠”。
最近发表于《自然》的中国科大成果，是研究团队利用冷原子系综，首次通过单光子干涉在独立存储节点间建立量子纠缠，并在此基础上构建了全球首个基于纠缠的城域多节点量子网络，将量子纠缠网络实验的距离由几十米延长到几十公里。
实验节点布局示意图：Alice节点位于中国科大东区，Bob节点位于合肥创新产业园，Charlie节点位于安徽光机所（来源：墨子沙龙）
纠缠效率是量子纠缠网络实验的重要指标，与哈佛大学团队在《自然》上发表的成果相比，中国科大成果的纠缠效率高两个数量级以上，优势明显。
未来应用：为保密通信提供支撑
当然，哈佛团队也取得了重要突破——首次在SiV色心体系实现了双节点远距离纠缠。与中国科大的几十公里纠缠网络水平相近，哈佛团队先让两个量子存储节点纠缠在一起，再通过光纤链路将这两个节点分开，部署在穿过剑桥、萨默维尔、沃特敦和波士顿的约35公里环路上。这意味着，他们也实现了城域级别的量子通信。
通过美国剑桥和波士顿的双节点量子网络路径地图（来源：哈佛大学）
波士顿地区的两个量子存储节点都由金刚石薄片制成，其内部原子结构中有一个缺陷，称为SiV中心。使用SiV中心作为单光子的量子记忆设备，是哈佛团队研究多年的技术路线。它解决了量子互联网理论中的一个难题——无法以传统方式增强信号。根据量子不可克隆原理，一个未知量子态不可能被精确复制，所以量子网络无法采用光纤信号中继器，导致数据很难长距离传输。
基于SiV中心的量子网络节点不仅能捕获、存储和纠缠量子信息位，还能纠正信号丢失，让长距离数据传输成为可能。哈佛团队已将演示网络安装在现有光纤上，展示了创建具有类似网络线路的量子互联网的可行性。
林梅博士认为，在未来可行性验证方面，中国科大团队构建的城域三节点量子网络优于哈佛团队建立的光纤链路。因为后者只有两个节点，而网络雏形至少要包含三个节点，这样才能验证其通信切换的功能——当A、B两个用户在利用量子网络进行通信时，C用户可随时切入，与A或B用户进行通信。
展望未来，量子网络凭借极高的安全性，可应用于政务、金融、电力、大数据等重要领域，为保密通信提供有力的科技支撑。量子网络还有望连接一台台量子计算机，未来形成量子互联网，让专业人士和公众体会到量子计算机的超强运算效率。
栏目主编：黄海华 题图来源：图虫 图片编辑：苏唯
