多即是少——量子纠缠互联的新方案。 导读
量子纠缠资源是构建量子互联网的基石，能够为端到端量子安全通信、超经典网络化量子传感、高性能分布式量子计算等颠覆应用提供重要支撑。现有多用户全连接量子互联网依赖波分组网，通过增加波长通道数来扩大用户规模，比如，10用户网络需要90个波长通道数，100用户网络需要9900个波长通道数。可见，多项式增长的波长通道资源需求，成为制约量子互联网规模化发展的天花板。在已有方案中，研究人员通过牺牲连接速率、连接时长等办法，演示了进一步扩大规模的方法。显然，这些方法难以从根本上改善量子互联网的困境。如何在有限频谱资源下实现大规模全连接量子互联网的构建，突破量子互联网的规模化发展桎梏，是量子通信技术领域的核心难题。
近日，电子科技大学郭光灿团队周强课题组与合作单位，对量子纠缠组网方案进行了新的审视和创新，在不增加波长通道数的情况下，网络用户数量可提升近3倍。具体地，研究团队在领域现有工作基础上，另辟蹊径，在国际上首次提出量子态复用组网的量子纠缠互联新方案。为展示方案的先进性，研究团队首先提出独立多色泵浦量子纠缠产生方案，借助氮化硅微环器件，在独立双色泵浦的激励下，在单个波长通道中制备出3个量子纠缠态，实现量子态复用量子纠缠光源的研制。基于研制的量子光源，研究团队在前期银杏一号城域量子互联研究平台基础上，完成了量子态复用量子纠缠互联组网的原理验证，使用6个波长通道在4个用户间实现了全联接量子互联，相较于此前方案节约了一半波长通道。随着用户数量的增加，节约的波长通道数将接近67%，做到了泵浦波长增多，连接通道减少，达到多即使少的奇妙效果。进一步地，研究团队还展示了此类全连接量子互联方案在量子纠缠密钥方面的优势。由于波长通道数的减少，简化了波分组网的硬件开销，降低了系统的光学损耗，提升了量子安全密钥率。相关研究结果发表于国际顶尖光学期刊《Light: Science Applications》上，题为"Quantum entanglement network enabled by a state-multiplexing quantum light source"。
主要内容
图1. 基于态复用量子光源纠缠组网新方案原理示意图。
图1展示了独立双色泵浦的量子态复用量子纠缠光源的实现方案，以及10用户量子纠缠互联的拓扑结构图和波长分配方案。双色泵浦的量子态复用量子纠缠光源利用三阶非线性光学材料中的自发四波混频产生关联/纠缠光子对。当频率为ωp1和ωp2的双色泵浦光注入到非线性光学器件中，会同时发生简并和非简并自发四波混频过程。其中，频率为ω2的光子可以同时与ω1、ω3和ω4的光子间建立量子关联/纠缠关系。将不同频率的光子分配给网络中的用户，一个用户可以同时与三个用户建立量子纠缠连接，节约多用户组网所需的波长通道数。基于该方案，利用34个波长资源即可实现10用户全连接量子纠缠互联。在实验方面，研究团队利用双色泵浦激励氮化硅微环谐振腔，实现量子态复用量子纠缠光源的研制，通过使用光源输出的6个波长通道，演示了一个4用户全连接量子纠缠互联网络。进一步，基于BBM92协议分析得到该网络可进行安全密钥速率为1946.9 bps的量子安全通信。
图2. 态复用量子纠缠网络实验结果与器件实物图。
该工作的第一作者范云茹博士认为，结合独立多色泵浦方案，通过调控泵浦数量、波长、功率等参数，可以进一步实现可重构的量子纠缠互联网络，提升量子互联网的适用性。周强教授表示，此次提出的量子态复用纠缠互联方案，为大规模量子纠缠互联网络的发展带来新的机遇。提升量子纠缠互联的综合性能，发展量子互联与经典光通信的共纤融合，推进量子纠缠互联应用示范是下一步规划。论文工作得到科技创新2030量子通信与量子计算机国家科技重大专项、四川量子研究专项、国家自然基金委面上项目等支持。
作者简介
范云茹
电子科技大学
主要研究方向：集成光量子器件与应用技术
范云茹，电子科技大学，特聘副研究员。目前主要研究领域为集成量子光源及应用技术研究，以第一/通讯作者（含共同）在Light: Science Applications、Physical Review Letters、Laser Photonics Reviews等期刊发表论文10余篇，承担国家自然基金青年基金项目1项、四川省重点研发项目1项。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01805-1
作者：郭光灿等 来源：《光：科学与应用》
