中科大实现城域贝尔非定域性验证！赋同量子SNSPD提供关键支撑

近日，中国科学技术大学郭光灿院士团队周宗权、李传锋、黄运锋等在城域量子中继器研究中取得里程碑进展，成功构建基于时间测量的复用量子中继器（MQR TM），在14.5 km分离的固态量子存储器间实现宣告式纠缠分发，并首次在城域尺度量子中继链路中完成贝尔非定域性验证。

该项研究工作中，赋同量子超导纳米线单光子探测器作为核心光子探测设备，为该项突破性研究提供了关键技术支撑。相关成果以A metropolitan-scale multiplexed quantum repeater with Bell non-locality为题，在线发表于国际顶级光学期刊Nature Photonics。

一、研究背景

量子中继器可克服光纤中指数级光子损耗，实现远距离量子存储器间的宣告式纠缠，是构建可扩展量子网络的核心单元。此前基于单光子干涉（SPI）的城域演示虽能实现较远距离纠缠，但纠缠保真度偏低，未能达到贝尔不等式破环要求；而基于双光子干涉（TPI）的方案虽保真度高，但纠缠分发速率极低，难以满足城域应用。

如何在城域距离下同时实现高宣告率与高纠缠保真度，并完成贝尔非定域性验证，成为量子中继走向实用化的关键难题。

二、研究突破

团队提出基于时间测量的复用量子中继协议（MQR TM），融合双光子干涉的高保真度与单光子干涉的高宣告率优势，实现三大核心突破：

最远城域纠缠分发

在合肥城区部署三节点量子中继网络（星汉 2.0），节点A（中科大）与节点B（合肥国家实验室）直线距离14.5 km，经7.9 km与9.9 km光纤连接至中间节点C（联通机房），创下固态量子存储器间最远宣告式纠缠分发纪录。


图 1 | 远程量子存储器间的预示纠缠

首次城域贝尔非定域性验证

生成保真度78.6%±2.0%的贝尔态，CHSH 贝尔不等式测量值S=2.22±0.06，超出经典极限3.7个标准差，国际首次在城域尺度量子中继中严格验证贝尔非定域性。


图 2 | 预示原子纠缠的 CHSH - 贝尔不等式检验

纠缠分发速率大幅提升

在14.5 km链路实现0.94±0.01 Hz的纠缠分发速率（EDR），较此前单光子干涉方案提升两个数量级，且保持高保真度。

三、系统架构


图 3 | 部署于合肥的城域级复用量子中继器（“星汉 2.0”）

· 量子光源：腔增强自发参量下转换产生421 nm泵浦、1537 nm通信波段与580 nm信号波段的时间-能量纠缠光子对。
· 量子存储器：基于151Eu3+:Y2SiO5晶体，采用原子频率梳（AFC）协议，100 μs存储效率达16.6%±0.1%，并行支持约1205个时间模式。
· 光子探测：
1537 nm通信波段：赋同量子提供的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）
580 nm信号波段：赋同量子提供的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）
· 贝尔态测量：中间节点C实现双光子干涉与符合测量，Hong-Ou-Mandel干涉可见度达95.9%±0.2%。
· 前馈控制：通过时间同步与经典反馈，将时间比特确定性转换为偏振比特，实现目标纠缠态精准制备。

四、关键意义

突破纠缠速率与保真度的 trade-off，为城域量子网络提供可扩展、可兼容现有通信基础设施的中继方案。

无需光纤信道主动相位稳定，支持自主量子节点运行，大幅降低部署复杂度。

基于151Eu3+:Y2SiO5的固态存储器具备小时级相干存储潜力，未来可支撑可移动量子节点与灵活量子网络。

五、设备支撑

本实验中，赋同量子提供的1537 nm、580 nm超导纳米线单光子探测器（SNSPD）承担关键信号光子探测任务，包括纠缠预告、Bell 态测量、干涉验证、量子态表征四大关键作用，以高探测效率、低噪声特性保障纠缠分发与贝尔测试的精准测量，为成果提供重要硬件支撑。


图 4| 赋同量子超导纳米线单光子探测系统

赋同量子超导单光子探测器，以其卓越不凡的典型参数，成为众多科研项目与高端应用场景的理想之选。在对光信号的捕捉上，这份高探测效率和低暗计数的能力让赋同量子SNSPD能够精准无误地进行极弱光探测。它采用了双层纳米级厚度NbN超导材料的微纳结构，对制备工艺进行极致优化，解决了纳米线吸收效率和本征效率的矛盾关系，有效提升了探测效率和良品率；同时，针对不同工作波段，它都进行了相应的光学吸收增透，让可见光到近中红外的光子无所遁形。

六、结语

该工作首次在城域尺度实现具备贝尔非定域性的量子中继，标志着我国在量子中继与量子网络方向从原理验证走向实用化部署的关键跨越，为构建广域量子互联网奠定核心技术基础。
未来，赋同量子将继续面向可扩展、高可靠量子网络，推进长寿命量子存储、高速纠缠分发与集成化量子中继节点研究，助力量子信息领域持续突破。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41566-026-01911-5