在对未来互联网的构想中，一个终极目标是建立一个“量子互联网”——一个能够利用量子力学的奇特规则，实现绝对安全通信并连接起强大量子计算机的颠覆性网络。近日，来自美国纽约州罗切斯特大学（University of Rochester）和罗切斯特理工学院（Rochester Institute of Technology）的科学家们，朝着这一宏伟目标迈出了坚实的一步。他们成功地利用城市中铺设的普通光纤，构建并运行了一个长达11英里（约17.7公里）的实验性量子通信网络，并将其命名为“罗切斯特量子网络”（RoQNET）。

这项发表于《Optica Quantum》期刊的研究，其核心突破并不仅仅在于传输的距离，而在于其实现方式。与许多依赖大型、昂贵且需要超低温环境设备的量子网络不同，RoQNET的核心技术被集成在小巧的光子芯片上，能够在室温下稳定运行。这一成就，为未来构建可扩展、低成本且能与现有通信基础设施无缝兼容的广域量子网络，开辟了一条极具前景的技术路径。

光子的使命：为何选择光作为量子信息的信使？

传统通信的安全性，本质上依赖于加密算法的数学复杂性，理论上总有被破解的风险。而量子通信的安全性则由物理学的基本定律所保障。其核心原理在于，任何对量子信息（由“量子比特”或qubit承载）的窃听或复制行为，都不可避免地会干扰其脆弱的量子态，从而留下可被通信双方立即察觉的痕迹。这种“一测即塌”的特性，使得信息传递过程具备了内生的、不可破解的安全性。

在众多可以充当量子比特的物理载体中，如原子、超导电路或钻石中的缺陷，光子（单个光粒子）因其独特的优势，被公认为长距离量子通信的“完美信使”。光子以光速传播，与环境的相互作用极弱，使其能够长久地保持其精密的量子态。更关键的是，它们可以利用已经遍布全球的、构成当今互联网骨干的光纤网络进行传输。这意味着，构建量子互联网，我们或许不必从零开始铺设全新的基础设施，而是在现有网络上进行“量子升级”。

而量子网络的终极目标，并不仅仅是分发安全密钥，更是要在网络的不同节点之间，分发一种被称为“量子纠缠”的神秘资源。纠缠的光子对如同被一根无形的线连接，无论相隔多远，对其中一个光子的测量，都会瞬间影响另一个的状态。建立一个能够按需分发纠缠光子的网络，将是实现分布式量子计算、超高精度量子传感以及更高级别安全通信协议的基础。

从桌面到芯片：集成光子学驱动的网络革命

尽管前景诱人，但构建实用的量子网络依然面临巨大挑战。传统的量子光学实验，通常需要在庞大的光学平台上，用大量的独立元件（如激光器、透镜、反射镜和特种晶体）进行搭建，系统复杂、造价高昂且对环境极为敏感。此外，探测单个光子这一关键步骤，往往需要依赖体积庞大、必须在接近绝对零度的超低温下工作的“超导纳米线单光子探测器”（SNSPD），这极大地限制了量子网络的规模化和商业化。

RoQNET团队的解决方案，正是为了打破这一瓶颈。他们的核心创新在于“集成量子光子学”技术。研究人员将产生纠缠光子对等关键功能的复杂光学系统，全部微缩并集成到了一块小小的光子芯片上。这块芯片由氮化硅和硅等标准半导体材料制成，能够通过高度非线性的晶体，高效地产生纠缠的光子对，并在芯片内部对这些光子进行处理和路由。

罗切斯特理工学院的Stefan Preble教授指出，这种芯片化的方法，是通往可扩展、高性价比量子网络的关键。它用类似于制造电脑微处理器的思路，来制造量子设备，使其变得更加紧凑、稳定、能耗更低，并具备了大规模量产的潜力。罗切斯特大学的Nickolas Vamivakas教授也强调，RoQNET的独特性正在于其利用集成光子芯片来产生量子光，并致力于发展基于固态的量子存储节点，这是构建完整量子网络不可或缺的组成部分。

罗切斯特的试验台：构建纽约州的量子未来

RoQNET目前连接了罗切斯特大学与罗切斯特理工学院的校园，其11英里的光纤线路并非特制，而是城市中已有的商用“暗光纤”（即未被使用的备用光纤）。这充分证明了该技术与现实世界基础设施的兼容性。该网络作为一个功能完备的“试验台”，让研究人员能够在真实的城市环境中，测试和优化他们的芯片级量子光源、纠缠分发协议以及网络节点间的协同工作能力。

团队的目光并未止步于此。他们的长远目标是，以RoQNET为起点，逐步将其扩展为一个覆盖纽约州范围的区域性量子网络。计划中的连接对象包括布鲁克海文国家实验室、石溪大学以及美国空军研究实验室等州内的主要科研机构。这样一个网络的建成，将极大地促进量子信息科学的协同研究，并为下一代计算、传感和安全技术的发展，提供一个独一无二的强大平台。

在全球范围内，构建实用量子互联网的竞赛已经拉开帷幕。RoQNET的成功，特别是其在集成光子学技术路径上的探索，为这场竞赛贡献了来自美国的重要力量。它清晰地指明了一条道路：通过将量子世界的奇妙规则与半导体世界的精密工艺相结合，人类或许能更快地将绝对安全的“量子高速公路”从实验室延伸至我们生活的每一个角落。

参考文献

Fanto, M. L., Vamivakas, N., Hawthorne, T., et al. (2025). Rochester Quantum Network (RoQNET). Optica Quantum. DOI: 10.1364/OPTICAQ.546774