最近有个大新闻，中国科学技术大学潘建伟、包小辉、张强等人首次采用单光子干涉在独立存储节点间建立纠缠，并以此为基础构建了国际首个基于纠缠的城域三节点量子网络。该工作使得现实量子纠缠网络的距离由以往的几十米整整提升了三个数量级至几十公里，为后续开展盲量子计算、分布式量子计算、量子增强长基线干涉等量子网络应用奠定了科学与技术基础。论文5月15日在线发表于《Nature》。
实验节点布局示意图其中Alice节点位于中国科大东区
Bob节点位于合肥创新产业园
Charlie节点位于安徽光机所
呃，这说的是啥？普通人可能唯一听懂的就是最后一句，论文发表在《Nature》。
还有很多人可能把它理解成，把量子通信的距离从几十米提高到几十公里。但这个理解其实是错的，量子保密通信的距离早就达到了几百公里。这个实验做的是，把量子纠缠网络的距离从几十米提高到几十公里。请注意，量子纠缠跟量子保密通信是两回事哦。
这俩是什么关系？关系非常微妙。正确的回答是：量子保密通信可以用到量子纠缠，也可以不用量子纠缠。量子纠缠是一个可选项，不是必选项。如果你理解到这一层，那么你的知识水平超过了99.99%的人。
为了解释这个深奥的知识，我们先说点容易的。我们来解释一下什么是量子纠缠。是的，量子纠缠对许多人来说可能是玄而又玄，但在这里却是基础的基础！
量子纠缠指的是这样一种现象：量子力学的多粒子体系有一些状态，其中对单个粒子的测量结果都是不确定的，但多个不确定的结果之间却存在确定的关联。这样的状态就叫做纠缠态。
举个例子，我们用黑和白来表示单个粒子可能的两种测量结果，那么有一个两粒子的纠缠态是这样的：两个粒子各自的测量结果都是一半概率黑，一半概率白，但两者的颜色总是相反。把这两个粒子分给两个人Alice和Bob，那么Alice如果测得自己的粒子是黑的，她立刻就知道Bob的粒子是白的，而如果Alice测得自己的粒子是白的，她立刻就知道Bob的粒子是黑的。
另一个常见的纠缠态是：两个粒子各自的测量结果都是一半概率黑，一半概率白，但两者的颜色总是相反。乍看起来它跟上面的例子相反，但实际上它们都属于同一类现象，都是量子纠缠。
有很多所谓科普，把量子纠缠解释成日常生活就能见到的现象，这些全都是错的。例如经常有人用这样的比喻：有一黑一白两个球，Alice和Bob一人拿一个，Alice一旦发现自己的球是黑的，立刻就知道Bob的球是白的。
看明白这个比喻的错误在哪儿了吗？它的错误在于，两个球的颜色在最初就是确定的。按照同样的初始状态重做一次实验，必然得到同样的结果。但量子纠缠不是这样，按照同样的初始状态重做一次实验，可以得到不同的结果。上次是A黑B白，下次是A白B黑，这都是完全可能的。
类似的错误比喻还有：你的女儿生了个女儿，那么无论你们相距多远，你都自动升级成了外婆。这种用日常生活中常见的现象做的比喻，有一个算一个全都是错的。量子纠缠怎么可能是这么简单的东西呢？
实际上，2022年诺贝尔物理学奖颁给了三位科学家，就是因为他们做实验证实了量子纠缠。诺贝尔奖网站还专门画了一幅漫画，来解释日常理解的黑白球实验跟量子纠缠之间的区别。前者是个完全平凡的现象，后者是个日常不可能遇到的现象，所以能得诺贝尔奖。假如三位科学家只是证实了一个常识，怎么可能得诺贝尔奖？
大家如果想对量子纠缠有更深入的了解，欢迎看我的科普书《量子信息简话》。下面，我们来解释一下科大最近的这项成果。
我们首先需要明白一点，纠缠是需要制备的。经常有人以为宇宙中所有粒子都是纠缠在一起的，大发一通哲学的感慨，其实全都是错的。请注意，我们在前面说的是，有些多粒子状态是纠缠态，绝不是说所有多粒子状态都是纠缠态。其实如果你不特意去制备的话，不纠缠才是常见现象。
具体的制备方法，例如对光子经常是利用非线性光学现象，我们在这里不详述。但基本点是，这种制备的成本很高，效率很低，而且纠缠在一起的粒子越多，成本就越高。潘建伟院士2016年获得过国家自然科学一等奖，题目就是“多光子纠缠及干涉度量”，现在大家明白制备多光子纠缠的难度和重要性了吧？
图片来自百度百科因此，我们对于量子纠缠应该有个基本定位：纠缠是一种资源，是需要花大力气去制备的，所以需要精心地使用。提到资源，你首先想到的是什么？例如生产核武器的原料铀矿？使用核武器放出的能量？制造核武器的技术秘诀？材料、能量、信息都是常见的资源，而量子纠缠是一种跟它们都不一样、但重要度至少跟它们相当的资源。实际上，我们目前对纠缠的理解还不够深入，将来它可能变成比材料、能量、信息更重要的资源。所以对量子纠缠的重要性有个意味深长的比喻：青铜时代的铁。
下一个问题是，量子纠缠有什么用？它的用处太多了，在量子信息的很多技术中都需要用到，例如量子计算，例如量子隐形传态（即科幻影视中的传送术），例如量子存储。但偏偏有一个地方它可以不用，就是量子保密通信，而这是相对而言最容易理解、在日常生活中也最容易用到的量子科技。
量子保密通信的效果，就是实现无条件安全的信息传输。无条件安全的意思，就是即使敌人有无限的计算能力，也不能破解你的密码。听起来很神奇，是吧？是的，但这确实是可以做到的！量子保密通信为什么能实现这么神奇的效果，原理比较复杂，在这里无法详述。大家如果有兴趣，可以读我的《量子信息简话》。但只要你知道有量子保密通信这个技术，知道它能实现无条件安全，你的知识水平就超过了99%的人。如果还知道它可以用量子纠缠，也可以不用，那么你的知识水平就超过了99.99%的人。
了解了前面这些基础，就可以明白建设量子纠缠网络的意义。新闻中是这么说的：
通过量子态的远程传输来构建量子网络是大尺度量子信息处理的基本要素。基于量子网络，可以实现广域量子密钥分发以及分布式量子计算和量子传感，构成未来“量子互联网”的技术基础。目前，基于单光子传输的量子密钥网络已发展成熟，而面向分布式量子计算、分布式量子传感等进一步量子网络应用，需要采用量子中继技术在远距离量子存储器间构建量子纠缠，在此基础上通过广域量子隐形传态将各个量子信息处理节点连接起来。
这段话本来可能是天书，现在你是不是都明白了？
下一个问题，是潘建伟团队如何实现这项成果，技术诀窍是什么。新闻里是这么介绍的：
为在远距离分离的独立量子存储器间建立纠缠，主要挑战在于如何控制单光子相位。基于单光子干涉的纠缠方案在纠缠速率方面有重大优势，然而实验难度非常高。纠缠过程中量子存储的控制激光、频率转换泵浦激光、长光纤信道等带来的细微相位抖动都会导致最终生成纠缠的退相干。
为解决这一难题，团队设计并发展了一套非常精巧的相位控制方案：首先通过超稳腔稳频来压制控制激光线宽，其次通过光锁相环来构建读写激光间的相位关联，最后通过远程分时相位比对来构建两节点间的相位关联。采用以上相位控制技术，并利用量子频率转换，团队成功实现了相距十几千米远的量子存储器之间的纠缠。以此为基础，研究团队构建了国际上首个城域三节点量子纠缠网络。该网络可以在任意两个量子存储器节点间建立纠缠。
如果以上这些技术细节听起来有些难度，那么下面这些对工作意义的评论你一定能听懂：
该工作使得现实量子纠缠网络的距离由几十米提升至几十公里，为后续开展分布式量子计算、分布式量子传感等量子互联网应用奠定基础。该工作是国际首个城域多节点量子网络实验；与其他双节点远距离实验相比，纠缠效率要高两个数量级。审稿人对该工作给予高度评价：“他们的成果开启了量子互联网研究的新篇章（their achievement starts a new stage of quantum internet research）”，“为未来大规模量子网络铺平了道路（paving the way for future large-scale quantum networks）”。
最有趣的是，后面还有一个彩蛋：
《自然》杂志也在同一期发表了美国哈佛大学Lukin团队的相关实验进展，该团队首次在SiV色心体系实现了双节点远距离纠缠。二者相比，中国科大成果在纠缠效率方面有明显优势，比哈佛大学的工作高两个数量级以上。
最近还有一个相关的新闻是，美国商务部把中国科学技术大学列入实体清单，因为害怕中国在量子科技方面的进展。经常有人说中国的量子科技是假的，这算不算美国政府的官方认证呢？
■ 作者简介
袁岚峰
中国科学技术大学科技传播系副主任
中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员
科技与战略风云学会会长
