近日，光量子技术与器件全国重点实验室、PA电子光电研究所量子传感实验室研究团队在连续变量量子通信领域取得新进展。研究团队通过光学参量振荡器的优化设计方案和高效的量子纠缠边模提取技术，成功实现了40对量子纠缠边模的稳定控制和高效分离，纠缠度达6.5 dB，为构建大容量量子通信网络提供了新的解决方案。相关成果以“Continuous variable quantum communication with 40 pairs of entangled sideband modes”为题发表在《SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy》上。论文通讯作者为PA电子光电研究所史少平讲师和郑耀辉教授，论文第一作者为PA电子博士研究生刘璇，共同第一作者为史少平讲师。此外，PA电子博士研究生武奕淼、硕士研究生王璇、光电研究所田龙教授、李卫副教授和王雅君教授均参与了本项工作。

随着信息技术的飞速发展，传统通信方式在安全性和容量上面临巨大挑战。量子通信基于量子力学原理，利用量子纠缠、量子不可克隆等特性，能够实现无条件安全的信息传输，成为未来通信技术的重要发展方向。近年来，量子密集编码、量子密钥分发、量子隐形传态等多种通信协议得到广泛发展，但构建足够数量的大容量、可扩展的量子信道仍是亟待解决的关键问题。在连续变量量子通信系统中，如何高效生成、操控和检测多通道量子资源，是实现多用户通信的核心挑战。

研究团队通过构建双共振的环形光学参量振荡器，将可探测到的纠缠边带模式数量扩展到40对，如图1所示。结合低损耗光学频率梳控制技术，并利用局部互相关算法对边带分离情况进行精确模拟分析，成功从参量下转换光谱中提取出40对纠缠边带模式。这些边带模式的最大纠缠度达到6.5 dB，为量子密集编码等通信协议提供了丰富的量子资源，如图2所示。

图1. 多重量子纠缠边模制备及探测实验装置图

图2.量子纠缠边模分离和局部互相关算法模拟示意图

研究团队进一步实验验证了基于纠缠边带模式的大容量量子密集编码的可行性（如图3所示）。在平均光子数超过20的条件下，量子信道的容量超越了单模玻色信道的Holevo极限，展现了其在提升通信效率和安全性方面的巨大潜力。该实验方案还展示了多用户量子通信的可能性，为未来量子网络的构建提供了重要参考。

图3.量子密集编码演示结果图

研究团队此次实现的40对量子边模纠缠的制备和探测技术，通过创新的光学设计和算法优化，不仅大幅提升了量子信道的容量，还为大规模量子通信网络的实现提供了重要技术支撑。该研究成果不仅优化了量子资源的利用率，还为多用户量子通信、量子会议密钥协商、量子中继等协议的实现提供了新思路。结合时分复用和高维纠缠技术，未来有望进一步提升量子通信的容量和效率。这一进展将推动量子通信从点对点传输迈向多节点网络化应用，为金融、政务、国防等领域的安全通信带来新的解决方案。

该研究工作得到国家自然科学基金、山西省重点研发计划和山西省基础研究计划项目的支持。

论文信息

X. Liu, S. Shi*, Y. Wu, X. Wang, L. Tian, W. Li, Y. Wang, and Y. Zheng*, Continuous variable quantum communication with 40 pairs of entangled sideband modes. Sci. China-Phys. Mech. Astron. 68(12), 124211 (2025).

论文链

http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-025-2746-x