封面新闻记者 边雪
量子网络要实现远距离互联，不仅需要能够存储和处理量子信息的节点，还需要让不同节点之间的量子信息能够通过光纤传输。然而，对于囚禁离子量子存储器而言，这条路并不容易走通：离子的部分能级跃迁发出的光子处于紫外波段，而现有通信光纤更适合传输1550纳米附近的光信号，两者之间存在明显的波长差异。
如何让紫外光子顺利“接入”通信光纤，同时尽可能保留其量子特性，并避免转换过程引入过多噪声，成为量子网络研究需要解决的关键问题。
10月13日，中国科学技术大学潘建伟、张强等人与济南量子技术研究院郑名扬等组成的研究团队，在国际学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表最新成果。研究团队实现了从393纳米到1550纳米的高效率、低噪声量子频率转换，端到端转换效率达到28.8%，泵浦光噪声抑制至每秒35个光子。与此前相关研究相比，转换效率提升约30倍，噪声降低超过两个数量级，刷新了该波段量子频率转换效率与噪声水平的国际纪录。
这项研究的意义不只在于刷新实验指标。通过打通紫外波段囚禁离子与通信光纤之间的关键技术环节，研究人员为量子存储节点之间实现远距离纠缠分发，以及未来构建可扩展的量子网络，提供了新的技术支撑。
“量子通信的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系。首先通过光纤实现城域量子通信网络，进而通过中继器实现邻近两个城市之间的连接，最终通过卫星平台中转来实现遥远区域之间的连接，这是广域量子通信网络的发展路线。”潘建伟曾在接受采访时表示，按照这一路线，量子通信未来的发展，一方面需要扩大量子通信网络的有效覆盖范围，包括实现量子通信网络和经典通信网络的无缝衔接、实现可支持千公里量级的量子中继、发展下一代可全天时工作的量子卫星网络等；另一方面，需要在工程化集成与验证的实践中推动核心器件的自主研发、相关应用标准的制定和规模化的应用示范。
▏中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟。（图源新华社）
紫外光子与通信光纤之间，为什么隔着一道技术门槛？
量子网络的一个重要目标，是将分散在不同地点的量子处理和存储节点连接起来，使它们能够通过量子纠缠等方式协同工作。囚禁离子是实现这一目标的重要技术路线之一。它具有相干时间长、量子态操控保真度高等优势，因此受到量子信息研究领域的持续关注。
但在实际连接中，光子的波长成为一道绕不开的门槛。在囚禁离子体系中，一些离子的能级跃迁会产生紫外或蓝紫光波段的光子。例如，钙离子（Ca⁺）的一条重要跃迁对应的波长约为393纳米。这类光子可以用于量子信息的产生、传递和远程纠缠建立，却不适合直接通过现有通信光纤进行长距离传输。相比之下，1550纳米附近的光信号是现代光纤通信的重要工作波段，在光纤中的传输损耗较低。
量子频率转换（QFC）正是连接这两个波段的一种技术路径。它通过非线性光学过程改变光子的频率，使其波长从紫外波段转换到通信波段，同时尽可能保留光子携带的量子信息。
不过，量子频率转换并不是简单地把光的颜色改变一下。对于经典光信号而言，转换后能够探测到光并不意味着任务已经完成；对于承载量子信息的单光子而言，转换效率和噪声同样关键。效率太低，会有更多光子在转换过程中损失；噪声太高，则可能产生额外的光子，干扰真正携带量子信息的信号，降低后续量子操作的可靠性。
此前，紫外波段到通信波段的量子频率转换普遍面临效率偏低、噪声偏高的问题，制约了相关技术的实际应用。中国科大方面介绍，受这些因素影响，此前相关体系中的囚禁离子节点间纠缠分发距离受到限制，处于米量级。
因此，研究人员需要解决的并非单一的转换效率问题，而是如何在提高转换效率的同时，将噪声控制在足够低的水平。只有同时跨过这两道门槛，紫外波段的量子存储器才有望更有效地接入现有通信光纤网络。
效率提升约30倍，研究团队如何同时降低噪声？
要让量子频率转换真正发挥作用，研究人员必须同时解决两个问题：一是尽可能多地保留输入光子，二是避免转换过程中产生额外噪声。此次研究的突破，来自对这两个环节的分别优化。
据中国科大公布的研究成果，团队从准相位匹配的底层原理入手，建立了畴缺陷引起相位扰动、进而导致转换效率下降的定量理论模型，并通过定量分析验证了这一模型。与此同时，研究人员发现，在短波长泵浦条件下，量子频率转换过程与泵浦光产生的自发参量下转换（SPDC）噪声过程具有反向调谐特性，并据此提出相应的噪声抑制方法。
这意味着，研究团队并非单纯依靠增加光功率来提高转换效率，而是从影响转换效果的物理机制入手，分别改善器件的转换性能与噪声表现。
在器件方面，研究团队构建了基于周期极化薄膜铌酸锂脊型波导芯片的量子频率转换模块。铌酸锂是一种重要的非线性光学材料，能够支持不同频率光场之间的相互作用；通过对材料结构和极化周期进行设计，可以满足特定波长转换的相位匹配要求。此次研究进一步处理了器件中畴缺陷带来的相位扰动问题，为提高转换效率提供了理论和实验依据。
最终，这套模块实现了从393纳米到1550纳米的量子频率转换，端到端效率达到28.8%，泵浦光噪声被抑制至每秒35个光子。按照研究团队公布的数据，相比此前相关研究，转换效率提升约30倍，噪声降低超过两个数量级。
需要注意的是，28.8%指的是整个转换链路的端到端效率，并不等同于单个光学器件内部的转换效率。对于量子网络而言，端到端指标更能反映光子经过实际转换环节后被有效保留下来的情况，但它仍需与光纤传输损耗、探测效率以及节点之间的其他损耗共同考虑。
从这个角度看，此次研究的重要性不仅是刷新一组实验数据，更在于通过理论分析和器件设计，将此前难以兼顾的效率与噪声控制问题向前推进了一步。
从实验室器件到远距离纠缠，量子网络还要走多远？
一项量子器件能否真正发挥作用，最终还要看它能否进入完整的量子信息系统。此次研究并未停留在单独的频率转换实验上。中国科大公布的信息显示，该模块已经应用于基于钙离子囚禁体系的远距离量子纠缠实验，信噪比达到120∶1，并支撑了长寿命远程离子—离子高保真度纠缠的实验演示，以及器件无关量子密钥分发。
这为理解此次突破的实际价值提供了一个重要参照。量子纠缠是量子网络的重要资源。通过建立不同节点之间的纠缠，研究人员可以探索量子信息的远距离传输、量子密钥分发以及量子中继等技术。但当节点分布在不同地点时，光子需要经过光纤传输，传输损耗会随着距离增加而累积。即使两个节点能够在实验室内产生高质量纠缠，也不意味着它们能够轻易在更远距离上维持这种关联。
量子频率转换提供的正是一种衔接方案：尽可能保留囚禁离子体系的量子信息产生与存储优势，同时把相关光子转换到适合通信光纤传输的波段。它有望减少不同量子体系之间的接口障碍，为未来连接更多量子节点创造条件。
不过，从单个转换模块到可扩展的广域量子网络，还需要解决多节点之间的稳定互联、纠缠分发效率、光纤传输损耗、量子态保持以及系统集成等一系列问题。此次成果为其中一个关键环节提供了新的技术支撑，但不能简单等同于已经实现远距离、规模化的量子通信网络。
封面新闻注意到，这项研究与此前量子中继领域的进展形成了呼应。2026年2月，中国科大潘建伟团队及合作者曾在《自然》和《科学》发表相关成果，涉及可扩展量子中继基本模块、单原子节点间远距离高保真度纠缠，以及超过百公里的器件无关量子密钥分发。
量子网络的建设，不仅需要突破量子态制备、操控和纠缠等基础问题，也需要解决光子如何在不同节点之间高效传输的工程难题。量子频率转换看似只是其中一个接口，却直接影响量子存储器能否与现有光纤通信基础设施有效衔接。
