DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10177-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41629702
تاريخ النشر: 2026-02-02
المؤلف: Wen‐Zhao Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: معلومات الكم والتشفير
نظرة عامة
تناقش هذه القسم التقدم في الشبكات الكمومية، التي تدمج الاتصال الكمومي، القياس، والحوسبة الموزعة لتعزيز نقل المعلومات الآمن، الاستشعار عالي الدقة، وتسريع معالجة المعلومات. أحد التحديات الرئيسية في إنشاء الشبكات الكمومية القابلة للتوسع هو التوزيع الحتمي للتشابك على مسافات طويلة، وهو أمر أساسي لتنفيذ توزيع المفاتيح الكمومية المستقل عن الأجهزة (DI-QKD) والتلبيس الكمومي. تعقد الخسارة الأسية للفوتونات في الألياف الضوئية هذه العملية، مما يستلزم تطوير مكررات كمومية تستخدم تبديل التشابك والتنقية جنبًا إلى جنب مع الذكريات الكمومية.
يقدم المؤلفون حلاً لمشكلة التداخل التي تعيق تشابك الذاكرة-الذاكرة عن بُعد من خلال استخدام ذكريات الأيونات المحصورة طويلة العمر، واجهة اتصالات فعالة، وبروتوكول تشابك الفوتون الفردي عالي الرؤية. تتيح هذه الطريقة إنشاء وصيانة تشابك الذاكرة-الذاكرة عبر وصلة ألياف بطول 10 كم، محققة ذلك ضمن متوسط زمن إنشاء التشابك لتلك المسافة. كإجراء عملي، يوضح الباحثون توزيع المفاتيح الكمومية المستقل عن الأجهزة على نطاق حضري، حيث نجحوا في استخراج 1,917 مفتاح سري من 405,000 زوج بيل على مدى 10 كم، ويبلغون عن معدل مفتاح إيجابي على مدى 101 كم، مما يوسع بشكل كبير المسافة الممكن تحقيقها لتوزيع المفاتيح الكمومية بأكثر من مرتبتين من حيث الحجم. يمثل هذا العمل تقدمًا كبيرًا نحو تحقيق الشبكات الكمومية القابلة للتوسع والتنفيذ الفعال لمكررات الكم.
النتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون نتائج تجربتهم التي تظهر بروتوكول توزيع المفاتيح الكمومية المستقل عن الأجهزة (DI-QKD) باستخدام تشابك حتمي عالي الدقة ومعدل عالٍ عبر شبكات الألياف على نطاق حضري. يتضمن إعداد التجربة، كما هو موضح في الشكل 4a، توليد تشابك مُعلن يليه قياسات كمومية عشوائية لتوليد المفاتيح واختبارات بيل، مع تحديد إعدادات القياس بواسطة مدخلات عشوائية من تجارب عشوائية كمومية سابقة. على مدار 405,145 جولة تجريبية أجريت عبر وصلة ألياف بطول 10 كم، حقق المؤلفون توليد مفاتيح آمنة، مع قيمة كلوزر-هورن-شيموني-هولت (CHSH) تبلغ \( S = 2.5758 \pm 0.0059 \) ومعدل خطأ بت الكم (QBER) يبلغ \( Q = 0.0360 \pm 0.0006 \). أدى ذلك إلى توليد 1,917 بت سري بعد المصالحة المعلوماتية وتعزيز الخصوصية.
كما يناقش المؤلفون التحسينات المحتملة لنظامهم، مثل زيادة معدل التشابك عن بُعد من خلال جمع الفوتونات المعززة بواسطة التجاويف الضوئية وتنفيذ ذكريات متعددة الأيونات. يبرزون أهمية مرجعية التردد الضوئي والطور عبر العقد لتطوير بنية تحتية لشبكة متعددة العقد، مشيرين إلى أن التشابك الحتمي على مسافات طويلة يمكن أن يسهل نقل المعلومات الكمومية الآمن بين المدن ويساهم في إنشاء شبكات كمومية على مستوى البلاد. تؤكد النتائج على جدوى DI-QKD في التطبيقات العملية، مما يمهد الطريق لأنظمة الاتصالات الكمومية المتقدمة.
المناقشة
في هذه الدراسة، ينجح المؤلفون في إنشاء تشابك مُعلن بين عقدتين كموميتين مستقلتين، أليس وبوب، كل منهما تحتوي على أيون واحد من \(^{40}\text{Ca}^+\). يتم تسهيل التشابك من خلال سلسلة من التقنيات المتقدمة، بما في ذلك تداخل الفوتونات الفردية المستقرة في الطور وتحويل التردد الكمومي (QFC) للفوتونات المنبعثة إلى نطاق الاتصالات. يستخدم النظام مزيجًا من تقسيم الطول الموجي وتقسيم الزمن لتحقيق استقرار الفروق في الطور، محققًا تباين تداخل قدره \(0.986 \pm 0.005\) عبر وصلة ألياف بطول 10 كم. يتميز الحالة المتشابكة المُعلنة بموثوقية قدرها \(F_{\rho^+} = 0.923 \pm 0.012\) و \(F_{\rho^-} = 0.910 \pm 0.012\) مقارنة بحالات بيل المثالية.
تقتصر تماسك التشابك الناتج بشكل أساسي على العمر الطبيعي لحالة \(D_{5/2}\) والتداخل الناتج عن ضوضاء المجال المغناطيسي. ينفذ المؤلفون بروتوكول تخزين يسمح بحماية التشابك، محققين زمن تماسك قدره \(550 \pm 36\) مللي ثانية وكفاءة رابط كمومي قدرها \(1.2\)، متجاوزين العتبة المطلوبة لتسليم التشابك الحتمي عن بُعد. يتم تقييم متوسط موثوقية الأزواج المتشابكة، مما ينتج عنه \(0.668 \pm 0.005\) لفترة تكامل قدرها 450 مللي ثانية، و \(0.578 \pm 0.006\) عند تمديدها إلى ما لا نهاية، مما يشير إلى إمكانية تنفيذ تبديل وتنقية فعالة للتشابك في الشبكات الكمومية المستقبلية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10177-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41629702
Publication Date: 2026-02-02
Author(s): Wen‐Zhao Liu et al.
Primary Topic: Quantum Information and Cryptography
Overview
This section discusses the advancements in quantum networks, which integrate quantum communication, metrology, and distributed computing to enhance secure information transfer, high-resolution sensing, and accelerate information processing. A key challenge in establishing scalable quantum networks is the deterministic distribution of entanglement over long distances, which is essential for implementing device-independent quantum key distribution (DI-QKD) and quantum teleportation. The exponential loss of photons in optical fibers complicates this process, necessitating the development of quantum repeaters that utilize entanglement swapping and purification alongside quantum memories.
The authors present a solution to the decoherence issue that hampers remote memory-memory entanglement by employing long-lived trapped-ion memories, an efficient telecom interface, and a high-visibility single-photon entanglement protocol. This approach enables the establishment and maintenance of memory-memory entanglement over a 10 km fiber link, achieving this within the average entanglement establishment time for that distance. As a practical application, the researchers demonstrate metropolitan-scale DI-QKD, successfully distilling 1,917 secret keys from 405,000 Bell pairs over 10 km, and report a positive key rate over 101 km, significantly extending the achievable distance for quantum key distribution by more than two orders of magnitude. This work represents a significant advancement toward the realization of scalable quantum networks and the effective implementation of quantum repeaters.
Results
In this section, the authors present the results of their experiment demonstrating a device-independent quantum key distribution (DI-QKD) protocol utilizing high-fidelity, high-rate deterministic entanglement over metropolitan-scale fiber networks. The experimental setup, as depicted in Figure 4a, involves heralded entanglement generation followed by random quantum measurements for key generation and Bell tests, with measurement settings determined by random inputs from previous quantum randomness experiments. Over a total of 405,145 experimental rounds conducted over a 10 km fiber link, the authors achieved secure key generation, with a Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH) value of \( S = 2.5758 \pm 0.0059 \) and a quantum bit error rate (QBER) of \( Q = 0.0360 \pm 0.0006 \). This led to the generation of 1,917 secret bits after information reconciliation and privacy amplification.
The authors also discuss potential enhancements to their system, such as increasing the remote entangling rate through optical-cavity enhanced photon collection and implementing multi-ion memories. They highlight the importance of cross-node optical frequency and phase referencing for developing a multi-node network infrastructure, noting that deterministic entanglement over long distances could facilitate secure inter-city quantum information transfer and contribute to the establishment of nationwide quantum networks. The results underscore the feasibility of DI-QKD in practical applications, paving the way for advanced quantum communication systems.
Discussion
In this study, the authors successfully establish heralded entanglement between two independent quantum nodes, Alice and Bob, each containing a single \(^{40}\text{Ca}^+\) ion. The entanglement is facilitated through a series of advanced techniques, including phase-stabilized single-photon interference and quantum frequency conversion (QFC) of emitted photons to the telecom band. The system employs a combination of wavelength-division and time-division multiplexing to stabilize phase differences, achieving an interference contrast of \(0.986 \pm 0.005\) over a 10 km fiber link. The heralded entangled state is characterized by a fidelity of \(F_{\rho^+} = 0.923 \pm 0.012\) and \(F_{\rho^-} = 0.910 \pm 0.012\) compared to ideal Bell states.
The coherence of the generated entanglement is primarily limited by the natural lifetime of the \(D_{5/2}\) state and decoherence from magnetic-field noise. The authors implement a storage protocol that allows for the protection of entanglement, achieving a coherence time of \(550 \pm 36\) ms and a quantum link efficiency of \(1.2\), surpassing the threshold required for deterministic remote entanglement delivery. The average fidelity of the entangled pairs is evaluated, yielding \(0.668 \pm 0.005\) for a 450 ms integration window, and \(0.578 \pm 0.006\) when extended indefinitely, indicating the potential for effective entanglement swapping and purification in future quantum networks.