为了实现未来的量子互联网，一个关键的里程碑需要从实验室进行的双节点原理验证实验过渡到大规模的综合多节点设置。

2024年5月15日，中国科学技术大学潘建伟及包小辉共同通讯在Nature在线发表题为「Creation of memory–memory entanglement in a metropolitan quantum network」的研究论文，该研究报告了在城域上的多节点量子网络中创建内存-内存纠缠。

量子网络的运行方式与经典网络不同，因为它们的节点可以存储和处理量子信息，并通过共享纠缠态连接起来。纠缠的非局域特性使一系列颠覆性应用成为可能，如量子密码学、分布式量子计算和增强传感。大都市区域内的量子节点可以通过几十公里的光通道进行纠缠，传输损耗适中(例如，在1,550 nm的50公里光纤中，传输损耗为10 dB)。对于纠缠城际节点，需要实现量子中继器协议来克服传输损耗的指数增长。

图1 实验节点布局示意图。其中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。

量子网络的构建块是一对相邻量子节点之间的预示纠缠。这已经在各种物理平台上得到了成功的证明，包括原子系综、单原子、金刚石氮空位中心、俘获离子、稀土掺杂晶体和量子点等等。目前，所实现的预示纠缠的最大物理距离为1.3公里。基于这一进展，最近在实验室规模上建立了三节点量子网络原语，为多用户应用开辟了机会，例如创建三体纠缠格林伯格-霍恩-塞林格(GHZ)状态，两个基本链路之间的纠缠交换和非相邻节点之间的量子比特隐形传态。

下一个挑战是将这些实验室或小规模实验扩展到城域规模。由于量子频率转换(QFC)技术的巨大进步，在高传输损耗波长下工作的平台现在能够以最小的损耗访问光纤网络。这使得在长达几公里的纤维上分布局部光物质纠缠的一系列工作成为可能。然而，两个单原子之间的纠缠是在大约1 min−1的低速率下产生的，两个原子集成之间的纠缠是在两个非独立节点之间产生的，这引起了对它们在大规模和多用户场景下的可扩展性的担忧。

图2 网络布局和实验设置。

研究人员使用了三个独立的存储节点，每个节点都配备了一个具有电信转换的原子系综量子存储器，以及一个光子服务器，其中单个光子的检测预示着纠缠生成的成功。存储节点最大间距为12.5公里。由于光纤链路和控制激光器，研究人员主动稳定了相位方差，演示了任意两个存储节点之间并发纠缠的产生。内存寿命大于往返通信时间。该研究为多节点量子网络协议的评估和探索提供了城域尺度的测试平台，开启了量子互联网研究的新阶段。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07308-0

--中国科学技术大学