上海电力大学教师在国际顶级期刊发表独立网络量子融合研究成果

近日，上海电力大学数理学院教师李渊华联合上海交通大学陈险峰、郑远林课题组首次提出了一种量子通信网络构建新方案，基于多用户纠缠交换实现了两个独立网络的量子融合。相关研究成果以“Quantum fusion of independent networks based on multi-user entanglement swapping”为题发表在国际顶级期刊Nature Photonics (DOI : 10.1038/s41566-025-01792-0)上。李渊华老师为本文第一通讯作者，上海电力大学为论文通讯署名单位。

作为典型的量子力学平台，基于纠缠的量子网络能够实现许多重要应用，如安全通信、分布式量子传感和量子力学的基础测试等等。近年来，全连接量子通信网络因其能实现多用户间同时通信，并最大限度减少基础设施与硬件需求，而受到广泛关注。该网络架构是构建全连接量子互联网的重要候选方案，或将彻底改变未来信息交换方式。然而，现有量子网络基本上是为了实现用户在自己网络中通信而构建的。如何桥接不同的独立网络并形成一个完全连接的量子互联网，已经成为未来量子网络面临的紧迫挑战之一。

要实现两个量子网络的融合需要解决两个关键难题：首先，两个独立的网络需要具有完全连接的拓扑结构，以便它们的用户可以相互通信；其次，它需要同时对所有涉及的纠缠态进行高质量的纠缠交换。

在本项工作中，我们针对量子融合中的关键科学问题，开创性地提出了一种全新的量子通信网络构建新方案，即主动时间-波长复用方案（ATWM方案）。该方案中，每个用户只接收一个由分别与其他N-1个用户纠缠的N-1个时间上独立光子组成的波长信道。量子处理器将2N-3个在波长和时域上具有特定设计的定制泵浦脉冲通过自发参量下转换（SPDC）过程产生量子纠缠光子对。随后，纠缠光子对通过量子信道分发给最终用户。为了有效区分不同的光子对，我们使用时间复用方案来分离不同的泵浦脉冲。因此，用户可以根据光子到达时间区分不同的纠缠态。由于自发参量下转换过程中的能量守恒，下转换光子对是频率-时间纠缠的，其光谱相对于泵浦的中心波长是对称的。所以，用户的所有对称波长信道可以共享不同的纠缠态，从而创建网络的全连通图。

验证实验中，我们利用ATWM方案构建了两个包含10用户的全连接量子网络。通过执行多用户纠缠交换，我们将这两个独立的网络最终合并成一个具有18个端节点的更大的完全连接的量子网络。得益于ATWM方案，每个端节点仅包含一个波长信道，并且可以根据光子到达时间区分每个量子态，这为同时在多个用户之间进行高可见性HOM干扰提供了先决条件。两个网络提供商可通过仔细调整泵浦脉冲的延迟使相应信号重叠，以实现来自不同网络的任意两个用户之间的纠缠交换。

为了保证纠缠交换的高质量，每个网络都必须确保最终用户与其他用户共享高质量的偏振纠缠态。验证实验中，我们使用标准双光子干涉技术，通过测量两个相互无偏基底中的双光子干涉条纹测量了网络的偏振纠缠。每种状态的干涉条纹的可见度都高于95%，揭示了所有可用信道对中偏振纠缠的存在。

纠缠交换后，我们通过测量所有相关光子对的先前不相关光子的纠缠以证实两个网络的纠缠交换是否成功。实验结果显示，纠缠交换后偏振纠缠态的平均保真度为（84.5±2）%。最终，在多用户纠缠交换后，两个10用户完全连接的网络在量子相关层合并为一个18用户网络。所有终端用户都可以通过使用基于纠缠的量子密钥分发协议相互通信。

本研究提出的ATWM方案可用于构建具有全连接拓扑结构的高性能大规模网络。同时，我们的方法为在不同网络中的远程节点之间建立量子纠缠开辟了有吸引力的解决方案，这有助于实现多功能的量子信息互连，并在构建大规模城际量子通信网络方面具有广泛的应用。

本研究得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、上海市级重大专项、上海市教委及科委、广东省量子科学战略专项支持。

Nature Photonics（影响因子：32.9）是Nature杂志的主干子刊、国际知名的光子学领域顶级期刊，致力于探索光子学在不同领域的应用和影响。（通讯员：樊丽达）