量子中继 (Quantum Repeater)

概述

量子中继用于克服远距离量子通信中的信道损耗。普通光纤中的光子会随距离指数衰减，且未知量子态不能像经典信号那样直接放大。因此，量子中继需要用纠缠分发、纠缠交换、量子存储和纠缠纯化构建远距离量子链路。

可信度说明

• 可信度: ★★★★★（Briegel 等 1998 原始方案与 RMP 综述交叉验证）
• 验证状态: 已验证
• 来源: [1][2]

基本组件

• 纠缠源：在相邻节点之间建立纠缠。
• 量子存储器：在等待其他链路成功时保存量子态。
• 纠缠交换：通过 Bell 态测量把短距离纠缠连接成长距离纠缠。
• 纠缠纯化或纠错：提高纠缠质量，抵抗噪声和损耗。

为什么不能直接放大

经典光通信可以用中继器读取、放大并重发信号；但量子态不可克隆，测量会扰动态。因此量子中继必须避免直接复制未知量子态，而通过纠缠结构建立端到端关联。

技术路线图

近期路线包括原子系综、单离子/中性原子、NV 色心、量子点和光学腔耦合系统等。长期目标是把量子中继与QKD、纠缠型 QKD、分布式量子计算和量子互联网连接起来。

中国进展

中国在城域量子通信网络与卫星量子通信方面已有代表性系统。未来若要构建更高带宽、更稳定的全球量子网络，量子中继与量子存储将是对卫星链路和可信节点网络的重要补充。

流传误区

• ❌ “量子中继就是量子版信号放大器” → ✅ 它不能直接放大未知量子态，而是使用纠缠交换等量子协议。
• ❌ “有卫星就不需要量子中继” → ✅ 卫星、可信节点和量子中继是不同技术路线，可互补。
• ❌ “量子中继已经大规模商用” → ✅ 关键组件仍在实验和工程成熟过程中。

相关条目

• quantum-communication — 量子通信
• e91-protocol — E91 协议
• device-independent-qkd — 设备无关 QKD
• micius-satellite — 墨子号卫星
• concepts/quantum-entanglement — 量子纠缠

参考文献

1. H.-J. Briegel, W. Dür, J. I. Cirac and P. Zoller, "Quantum Repeaters: The Role of Imperfect Local Operations in Quantum Communication", Physical Review Letters 81, 5932-5935 (1998). DOI（A级原始论文）
2. N. Sangouard et al., "Quantum repeaters based on atomic ensembles and linear optics", Reviews of Modern Physics 83, 33-80 (2011). DOI（A级综述）