中国科大实现基于无腔冷原子系综的长距离原子-光子纠缠分发

近日，中国科学技术大学郭光灿院士团队史保森教授、张伟研究员、周志远副教授在长距离量子网络节点的构建方面取得重要突破：该团队利用无复杂光学腔的冷原子系综，结合自主研制的高效偏振无关量子频率转换模块，成功实现了原子与通信波段光子之间的纠缠，并使用20公里光纤进行了远距离分发，验证了纠缠保真度大于80%。相关成果以“Long-Distance Distribution of Atom-Photon Entanglement Based on a Cavity-Free Cold Atomic Ensemble”为题，于2026年2月6日发表在《Physical Review Letters》上。

图1.实验装置示意图

量子中继器是实现分布式量子计算、量子密码学和量子传感等未来量子技术的关键，其核心是能够产生、存储并在远距离量子节点之间分发量子纠缠。以往的高性能冷原子系综量子中继器大多依赖复杂的光学腔结构来增强光与物质的相互作用，这在系统扩展和实际部署中面临严重挑战。针对这一难题，研究团队另辟蹊径，采用无复杂光学腔的冷原子系综作为量子存储节点，通过选择合适的能级结构、优化磁场控制并提升光学厚度，实现了约55%的初始内部读出效率以及长达160微秒的存储寿命。这一简单、鲁棒的量子存储器，为构建可扩展的量子网络节点提供了新思路。

图2.主要结果图

研究的另一项重要亮点在于团队实现了高效率、低噪声的量子频率转换。团队自主研制了基于Sagnac干涉仪架构的偏振无关量子频率转换模块。该模块采用腔增强差频方案，利用周期性极化铌酸锂晶体，将原子系统产生的780nm光子高效地转换至通信波段（1522nm），实现的外部量子效率最高可达 48.5%。同时，该频率转换过程能够保持光子偏振态不变，且附加噪声水平极低，为实现长距离、低损耗的单光子传输提供了关键技术支撑。

该研究展示了一种结合简单无腔的量子存储器与高效频率转换模块的量子网络节点新范式，是迈向实用化长距离量子网络的重要一步，为未来实现基于量子中继的全球量子网络提供了新的技术路径。审稿人高度评价此项工作“reports a significant experimental achievement”，“a crucial step for real-world quantum communication. This work clearly validates the feasibility of utilizing such a cavity-free setup fordeployable quantum repeater architectures”，同时也是“notable technical achievement”。

中国科学技术大学博士生王天宇、陈仁辉，副研究员李岩，西安交通大学博士生沈泽昊为论文共同第一作者。合肥国家实验室张伟研究员以及中科大周志远副教授、史保森教授为论文共同通讯作者。该研究工作得到了科技创新2030重大项目和国家自然科学基金的大力支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/fzz2-3xf6

（量子网络安徽省重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）