重大突破！清华大学段路明团队实现全功能双类型离子阱量子网络节点，为量子互联网发展奠定重要基础

    在量子互联网向规模化、实用化推进的进程中，量子网络节点的通信功能与存储功能兼容性问题长期构成关键技术瓶颈。近日，清华大学段路明院士团队在国际权威期刊《Science Advances》发表重磅研究成果，成功构建全球首个集成“物质光子纠缠产生”“无串扰量子存储”“比特间纠缠门”三大核心功能的双类型离子阱量子网络节点，从根本上解决了传统方案中通信与存储相互干扰的难题，为基于囚禁离子体系的大规模量子网络构建提供了切实可行的技术路径，标志着量子网络领域迎来里程碑式进展。

    技术瓶颈：量子网络节点的功能兼容难题
    构建高效稳定的量子网络，核心在于实现量子信息的可靠传输与长期存储，这要求量子网络节点必须同时具备两类关键量子比特：一是“通信比特”，负责与光子建立纠缠，完成量子信息的远距离传输；二是“存储比特”，承担量子信息的高保真度长期存储任务。
    然而，在主流的囚禁离子体系中，两类比特的协同工作面临严峻挑战。通信比特与光子构建纠缠的过程中，不可避免会产生自发辐射现象，散射光子的能量易与存储比特的能级跃迁形成共振，进而破坏存储的量子信息，这一“串扰”问题成为制约量子网络节点性能的核心障碍。
    为破解这一困境，学术界曾提出两种解决方案，但均存在显著局限性：时分复用方案通过时序分离实现通信与存储功能，却大幅降低了节点的工作效率；双组分离子方案采用两种不同元素离子分别承担通信与存储任务，虽能避免串扰，但离子质量差异导致交感冷却效率下降，难以扩展至多比特系统。因此，开发兼具无串扰特性与可扩展性的量子网络节点方案，成为量子信息领域的重要研究课题。

    创新方案：同种离子的双能级编码策略
    段路明院士团队创新性地提出“双类型比特”技术方案，通过精准调控单一囚禁镱离子（¹⁷¹Yb⁺）的能级结构，实现通信与存储功能的物理隔离与高效协同。
    该方案的核心创新点在于对镱离子能级的精细化利用：
    通信比特（Stype）编码于超精细基态²S₁/₂的两个“时钟态”（|F=0,mF=0⟩与|F=1,mF=0⟩），通过与370nm激光相互作用产生光子，构建高保真度的离子光子纠缠，为量子信息传输提供支撑；
    存储比特（Ftype）编码于亚稳态²F₇/₂的两个“时钟态”（|F=3,mF=0⟩与|F=4,mF=0⟩），该能级具有超长寿命，可满足量子信息长期存储的需求。
    关键技术突破在于，通信比特工作时散射的370nm光子能量与存储比特的能级跃迁“远失谐”，从物理层面杜绝了串扰现象的发生。更重要的是，团队首次实现了两类比特之间高保真度的纠缠门操作，填补了双类型方案中异构比特协同操控的技术空白，使量子网络节点具备了完整的功能闭环。

    实验验证：三大核心模块与功能集成达标
    研究团队在由两个¹⁷¹Yb⁺离子组成的实验系统中，成功集成并标定了三大核心功能模块，各项性能指标均达到高水平：
    1.离子光子纠缠生成模块：通信比特与光子的纠缠保真度达到（93.3±0.5）%，得益于探测方案优化与电子学系统升级，该指标较此前研究实现显著提升；
    2.无串扰量子存储模块：通过拉姆塞干涉实验测得，存储比特的相干时间长达（0.985±0.033）秒，可充分支撑复杂量子操作；通信比特与存储比特的“往返转换”错误率仅为（1.26±0.04）%，验证了比特类型转换的高效性与精确性；
    3.存储通信比特纠缠门模块：采用全局激光束施加自旋依赖力（SDF），结合微波脉冲技术，成功实现异构比特纠缠门Uent，通过贝尔态制备与测量，其保真度达到（96.3±0.8）%，为两类比特的协同工作提供了核心技术支撑。

    为验证节点的全功能特性，团队开展了两项关键实验：
    被动式量子隐形传态实验：将预存储于存储比特的任意量子态通过纠缠门操作“传送”至光子比特，测得平均态保真度为（87.2±0.9）%，过程保真度为（80.7±0.6）%，远超经典通信2/3的理论极限，充分验证了该节点通信功能的可靠性与有效性；
    三体GHZ态制备实验：成功构建跨越存储比特、通信比特与光子比特的复杂纠缠态（|00H⟩+|11V⟩)/√2，保真度达到（84.7±0.6）%，展现了节点出色的相干操控能力。
    实验结果显示，两项功能演示的保真度与各核心模块保真度的乘积基本吻合，表明系统未出现显著的相干误差累积，整体操作流程具备良好的稳定性与可靠性。

    研究意义与未来展望
    该研究的核心价值在于，首次在实验层面实现了双类型量子网络节点全部必要组件的集成与协同工作，不仅解决了长期困扰学术界的串扰问题，还突破了传统方案的可扩展性限制，为大规模量子网络的构建提供了标准化、模块化的技术方案。
    展望未来，研究团队将围绕两大方向开展进一步优化：在保真度提升方面，通过优化电子系统以缩短脉冲抖动时间、采用高级探测技术降低读出错误、主动稳定微波强度等措施，持续降低操作误差；在可扩展性方面，计划利用复合脉冲技术（如BB1脉冲）补偿激光与微波场的不均匀性，为节点扩展至成百上千个离子的多比特系统提供技术支撑。
    随着该全功能量子网络节点技术的不断成熟，未来可通过光纤连接多个节点，构建分布式量子计算与通信网络，实现主动式量子隐形传态、分布式量子算法等高级应用。清华大学段路明院士团队的这项研究成果，不仅为量子网络领域的技术发展树立了新标杆，更推动量子互联网从理论构想向实际应用迈出了关键一步，对量子信息科学与技术的产业化发展具有重要意义。