AI进销存2025年11月08日 16:52消息，理论可达2000km，原子级3D打印突破量子通信距离瓶颈。
11月8日最新消息，量子计算一直被视作未来计算技术革新的核心，但其发展面临一个根本性的难题——如何在远距离传输过程中确保量子信息不被破坏。传统光纤通信受限于量子态退相干的问题，目前量子计算机之间的有效通信距离通常仅能达到几公里。
对此，美国芝加哥大学普利兹克分子工程学院助理教授张天中（Tian Zhong）带领的研究团队，采用创新的材料制备技术，成功将量子通信的理论传输距离扩展至约2000公里，这一成果将此前的纪录提升了近200倍。
这一成果标志着实现全球量子互联网的技术条件首次“触手可及”。TianZhong表示，“这是我们首次看到全球量子互联网的实现变得切实可行。” 从当前科技发展的趋势来看，量子通信技术正逐步从理论走向实践，而此次突破无疑为构建全球量子互联网奠定了重要基础。随着相关技术的不断成熟，未来在信息安全、数据传输等领域或将迎来革命性的变化。这一进展不仅体现了科研团队的创新能力，也反映出全球在量子科技领域的竞争与合作正在加速推进。
相关研究成果已于2025年11月6日发表在《自然・通讯》上，论文题目为《具有长寿命相干性的双外延电信波段自旋-光子接口》。这一成果在量子信息处理领域具有重要意义，表明科学家在实现高效、稳定的自旋-光子接口方面取得了关键进展。该技术有望推动未来量子通信和计算的发展，特别是在电信波段的应用中展现出广阔前景。研究中提到的“长寿命相干性”是实现量子系统稳定运行的重要基础，其突破为构建更复杂、更可靠的量子网络提供了坚实支撑。
量子通信的关键在于维持纠缠态的稳定性。通过纠缠态，空间上分离的量子计算机可以共享量子信息，但一旦发生退相干，信息便会迅速丢失。近日，科研团队在实验中成功将掺铒原子的量子相干时间从以往的0.1毫秒提升至超过10毫秒，部分样本甚至达到了24毫秒。按照理论计算，这一突破意味着量子信号可在长达4000公里的范围内保持有效。 这一进展标志着量子通信技术迈出了重要一步，为构建更稳定、更远距离的量子网络提供了坚实基础。随着相干时间的延长，量子系统在面对环境干扰时的鲁棒性也显著增强，这对于未来实现全球范围内的量子通信网络具有重要意义。不过，实验室成果向实际应用转化仍需克服诸多挑战，如如何在复杂环境中保持稳定的纠缠态，以及如何实现大规模系统的集成与操控。
科研团队表示，这项突破并非源于新材料的发现，而是来自于制造工艺的彻底革新。过去用于量子光-物质接口的稀土掺杂晶体通常采用柴可拉斯基法（Czochralski method）进行制备，即在2000℃以上的高温下将材料熔融，然后缓慢冷却形成晶体。之后，研究人员再通过物理或化学手段将其加工成所需的元件，这一过程不仅耗时较长，而且精度受到一定限制。
此次突破采用了分子束外延（Molecular-Beam Epitaxy，MBE）技术，这种方法更类似于“原子级 3D 打印”。它通过逐层沉积材料、精确控制原子排列，实现从底层构建的晶体生长。“我们从零开始，一层层堆叠这些原子，几乎达到原子级纯净度，使原子的量子相干性能达到前所未有的水平。”
MBE 技术虽然早已用于半导体领域，但此前从未被应用于稀土掺杂晶体的量子信息研究。该团队与材料合成专家杨树龙（Shuolong Yang）助理教授合作，将 MBE 工艺专门优化用于量子网络所需的稀土材料制备。所得外延薄膜在电信波段展现出稳定的自旋-光子接口，并与现有光纤通信基础设施兼容。
光子学与量子通信领域的专家、光子科学研究所教授于格·德·里德马滕（Hugues de Riedmatten）对该研究成果给予了高度评价。他表示：“这项研究展示了如何通过自下而上的精密纳米制造技术，实现具备优良光学特性与自旋相干性能的单个稀土离子量子比特，并构建出适用于光纤网络的长寿命自旋-光子接口。这是推动量子网络实现可扩展性的重要进展。”
下一步，研究团队正集中力量验证实验的可行性，目前实验室正在搭建一套包含三台稀释制冷机的局部量子网络，旨在模拟长达1000公里的光纤量子通信场景。接下来，团队计划首先在实验室内通过线缆线圈实现“超长距离”的连接测试，随后逐步扩展至更复杂的网络架构。 这一进展显示出量子通信研究正在向实际应用迈进，尤其是在构建稳定、可扩展的量子网络方面。通过局部网络的搭建与测试，不仅有助于积累关键数据，也为未来大规模部署奠定了基础。这种循序渐进的方式，既符合科研规律，也体现了对技术风险的谨慎把控。
研究人员认为，这一突破不仅有望为构建真正的量子互联网奠定基础，还可能促进安全通信、分布式量子计算以及量子增强传感等领域的进步。未来，量子计算机或许能够像如今的互联网节点一样，实现跨城市乃至跨国界的实时量子连接。
附论文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-025-64780-6
