“量子通信通常需要在接近绝对零度（毫开尔文级）的极寒环境中运行，任何微小的热量都会破坏脆弱的量子态。然而，中国深圳国际量子研究院（IQASZ）的科研团队近日打破了这一铁律。他们成功构建了一个抗热噪声微波量子网络，首次实现了在高达4开尔文（4K）的温度下，超导量子芯片间的微波量子态传输与远程纠缠生成。”

这项发表于《Nature Electronics》的突破性研究，由俞大鹏院士和钟有鹏研究员领衔。团队巧妙结合了低损耗超导传输线、辐射冷却和可调耦合器技术，像操作精密阀门一样，在热噪声“污染”信道之前瞬间完成量子信号的传输。这一成果将量子网络的运行温度提高了数个数量级，大幅降低了大规模量子计算机的构建成本和复杂度，为分布式量子计算铺平了道路。

核心挑战：热量是量子世界的“毒药”️ 传统困境微波光子的脆弱性：超导量子电路使用微波光子携带信息。由于微波光子能量极低，它们极易被环境中的热能（热噪声）淹没。极低温依赖：为了抑制热噪声，传统的超导量子网络必须将整个系统（包括处理器和连接线路）冷却到10-20毫开尔文（mK），即接近绝对零度。扩展瓶颈：随着量子处理器规模扩大，维持如此庞大系统的极低温环境变得极其昂贵且技术难度极高，限制了量子计算机的模块化扩展。

“基于超导的处理器的通信通道通常需要在接近绝对零度的温度下运行。这一要求使得大规模超导量子网络成本高昂且技术 demanding（要求高）。”—— Youpeng Zhong (钟有鹏), 论文共同资深作者

创新方案：给量子信道装上“智能阀门”

研究团队提出了一种直观而高效的三步走策略，成功让量子信号在“温暖”的环境中幸存：

1️⃣纯净管道：低损耗超导传输线原理：研究发现，即使穿过较高温度的温区（如4K），高质量的超导传输线仍能保持极低的信号损耗。比喻：就像一根高质量的水管，不仅能防止内部的水（量子信号）泄漏，还能阻止外部的污染物（热噪声）渗入。2️⃣辐射冷却：清除既有噪声机制：将传输线耦合到一个“冷沉”（Cold Sink，极低温物体）。过程：通过辐射冷却（Radiative Cooling），传输线内原本存在的热光子会自然流向冷沉，从而“清洗”信道，使其恢复到近乎真空的量子基态。3️⃣时间门控：可调耦合器作为阀门⏱️难题：辐射冷却在清除噪声的同时，也会把想要传输的量子信号吸走。解决方案：引入可调耦合器（Tunable Couplers），充当高速阀门。步骤一（清空）：打开阀门，利用辐射冷却迅速排空信道内的热噪声。步骤二（传输）：关闭阀门，切断与冷沉的联系，然后在热噪声重新“污染”信道的极短时间窗口内，快速发射并传输量子信号。

“我们先打开阀门排空信道中的热噪声，然后关闭它，并在信道被热噪声‘污染’之前快速传输量子信号。”—— Youpeng Zhong

实验成就：性能媲美极低温系统 关键数据运行温度：成功将通信链路的温度提升至4 K（约-269°C）。意义：4K是液氦的沸点，这是一个易于通过大功率制冷机低成本实现的温区，远比毫开尔文级容易维持。纠缠保真度：在1 K信道温度下，生成的远程纠缠保真度高达93.6%。对比：这一性能与全系统在毫开尔文温度下的最先进演示相当。阈值：超过了分布式量子纠错所需的接口阈值，意味着该系统具备实际构建容错量子网络的潜力。功能验证：实现了超导量子比特间的量子态传输和远程纠缠生成。 技术对比

表格

特性

传统超导量子网络

新型抗热噪声网络(本次研究)

优势

工作温度

< 0.02 K (毫开尔文级)

高达 4 K

制冷成本降低，功率提升

系统复杂度

极高 (需稀释制冷机)

中等 (可用脉管制冷机)

易于工程化扩展

抗噪机制

全程极低温隔离

动态清洗 + 时间门控

主动抵御热噪声

纠缠保真度

~94% (基准)

93.6% (在1K下)

性能无损

扩展潜力

受限 (制冷功率瓶颈)

高 (支持模块化互联)

通向大规模量子计算

应用前景：构建分布式量子超级计算机1️⃣模块化量子计算️愿景：将多个小型量子处理器像集群计算机一样连接起来，形成强大的量子超级计算机。贡献：无需将所有模块塞进同一个极低温冰箱，允许模块间通过较温暖的链路连接，解决了单台制冷机容量有限的问题。2️⃣降低成本与门槛经济效应：4K温区可以使用更便宜、制冷功率更大的商用制冷设备（如脉管制冷机），大幅降低建设和运营成本。普及加速：使得更多研究机构和企业能够负担得起量子网络实验。3️⃣混合量子系统未来方向：作为桥梁，连接超导量子电路与其他量子平台（如光量子、离子阱等），构建优势互补的混合量子架构。微波 - 光转换：为开发微波 - 光转换器奠定基础，最终实现通过光纤进行的长距离量子互联网。

“这可以大大降低构建大型超导量子网络的复杂性和成本……达到4K的温度特别吸引人，因为这个氦温区可以通过高制冷功率和低成本实现。”—— Youpeng Zhong

未来展望：从原型到实用

尽管取得了巨大成功，团队也指出了下一步的攻关方向：

芯片级噪声防护：目前的方案主要保护了传输链路，未来需进一步提升量子处理器芯片本身对热噪声的抵抗力。更大规模系统：构建连接更多处理器的分布式量子系统，验证其在更复杂任务中的表现。混合架构探索：尝试将超导电路与其他量子技术平台互联，解锁单一技术无法实现的能力。

“展望未来，我们希望构建更大的分布式量子系统——不仅连接超导处理器，还要链接超导电路与其他量子平台。我们相信这种混合架构可以解锁任何单一技术难以实现的能力。”—— Youpeng Zhong

结语：让量子网络“温暖”起来

深圳国际量子研究院团队的这一突破，是量子工程领域的一次重要解放。它证明了量子脆弱性并非不可战胜，通过巧妙的系统设计和对物理过程的精准时序控制，我们可以在相对“温暖”的环境中维持量子相干性。从毫开尔文到4开尔文，这不仅仅是温度的提升，更是量子技术从实验室走向规模化应用的關鍵跨越。随着这一技术的成熟，未来我们或许能看到由无数个模块化量子单元组成的庞大计算网络，在相对“宽松”的环境下运行，共同解开宇宙最深层的奥秘。

来源：Shenzhen International Quantum Academy (IQASZ) / Nature Electronics 论文：Jiawei Qiu et al., "A thermal-noise-resilient microwave quantum network up to 4 K", Nature Electronics (2026). DOI: 10.1038/s41928-026-01581-9 关键词：#量子网络 #抗热噪声 #微波量子互联 #4K温区 #超导量子计算 #分布式量子计算 #深圳国际量子研究院 #俞大鹏 #钟有鹏 #NatureElectronics