11 月 8 日消息，量子計算長期以來被視為未來計算革命的關鍵，但其發展面臨一項根本性挑戰 —— 如何在長距離傳輸中保持量子信息不被破壞。傳統光纖通信受制於量子態退相干問題，目前量子計算機之間的有效通信距離通常僅為幾公里。
對此，美國芝加哥大學普利茲克分子工程學院助理教授 Tian Zhong 領導的研究團隊通過創新的材料製造方法，使量子通信的理論距離擴展至約 2000 公里，比此前紀錄提高近 200 倍。
這一成果標誌著實現全球量子網際網路的技術條件首次「觸手可及」。Tian Zhong 表示，「這是我們首次看到全球量子網際網路的實現變得切實可行。」
相關研究成果已於 2025 年 11 月 6 日發表在《自然・通訊》上，論文題目為《具有長壽命相干性的雙外延電信波段自旋-光子接口》。
量子通信的核心在於糾纏態的保持。糾纏原子能夠讓空間上分離的量子計算機共享量子信息，但一旦退相干發生，信息即刻丟失。科研團隊的實驗使摻鉺（erbium）原子的量子相干時間從以往的 0.1 毫秒提升至超過 10 毫秒，個別樣本甚至達到 24 毫秒。理論上，這意味著量子信號可在 4000 公里範圍內保持有效。
科研團隊指出，這一飛躍並非依賴新材料的發現，而是源自製造工藝的根本變革。以往用於量子光-物質接口的稀土摻雜晶體多採用柴可拉斯基法（Czochralski method）製備，即在 2000 ℃ 以上高溫熔融後緩慢冷卻成晶。隨後，研究人員再通過物理或化學方式將其「雕刻」成所需元件，這一過程費時且精度有限。
此次突破採用了分子束外延（Molecular-Beam Epitaxy，MBE）技術，這種方法更類似於「原子級 3D 列印」。它通過逐層沉積材料、精確控制原子排列，實現從底層構建的晶體生長。「我們從零開始，一層層堆疊這些原子，幾乎達到原子級純淨度，使原子的量子相干性能達到前所未有的水平。」
MBE 技術雖然早已用於半導體領域，但此前從未被應用於稀土摻雜晶體的量子信息研究。該團隊與材料合成專家楊樹龍（Shuolong Yang）助理教授合作，將 MBE 工藝專門優化用於量子網絡所需的稀土材料製備。所得外延薄膜在電信波段展現出穩定的自旋-光子接口，並與現有光纖通信基礎設施兼容。
光子學與量子通信領域專家、光子科學研究所教授于格・德・里德馬滕（Hugues de Riedmatten）對該成果給予高度評價。他指出：「這項研究展示了自下而上的精密納米製造技術如何實現具有優異光學與自旋相干性能的單稀土離子量子比特，並構建出適用於光纖網絡的長壽命自旋-光子接口。這是量子網絡可擴展化邁出的重要一步。」
下一步，研究團隊將重點驗證其實驗可行性，其實驗室正在搭建一套包括三台稀釋制冷機的局部量子網絡，用以模擬長達 1000 公里的光纖量子通信場景。團隊計劃先在實驗室內部通過線纜線圈進行「超長距離」連接測試，再逐步擴展到更大規模的網絡架構。
研究人員認為，這項突破不僅能為構建真正的量子網際網路奠定基礎，還可能推動安全通信、分布式量子計算以及量子增強傳感等領域的發展。未來，量子計算機有望像今天的網際網路節點一樣，實現跨城市、跨國家的實時量子連接。
