2026年7月30日——量子中继器被视为未来量子网络的关键技术。有朝一日，它们可以在长距离上传输量子信息和纠缠态，从而实现量子密钥分发安全通信、分布式量子计算或量子传感器网络等应用。弗劳恩霍夫系统与创新研究所（Fraunhofer ISI）在德国量子通信伞形项目（SQuaD）框架下编制的最新路线图，比较了不同的技术方案，并勾勒出未来量子中继器走向商业应用的可能发展路径。

技术发展始终与可用资源紧密相连，从材料、能源到信息和数据皆是如此。量子技术的崛起可能使一种新资源在未来变得愈发重要——量子信息。研究人员将其理解为以量子态（如单光子或其他量子系统）存储、处理和传输信息。结合纠缠这一原理，这为安全通信、分布式量子计算或高精度传感器网络开辟了新的可能性。量子中继器被认为是让这种资源在远距离上得以利用的一种有前景的方案。

与经典电信信号不同，量子信息受量子力学原理制约，无法被复制或放大。这限制了当前量子通信方法的传输距离和可扩展性。量子中继器旨在通过实现更远距离上的分布式纠缠来克服这一限制。因此，它们被视为未来强大量子网络的重要先决条件。

应用范围从安全通信到“量子互联网”

由弗劳恩霍夫系统与创新研究所和萨尔大学的研究人员共同完成的《量子中继器——技术路线图》研究报告，基于对科学文献的综合分析、访谈以及一次有22位学术界和工业界专家参与的路线图研讨会。其目标是记录当前的发展状况、识别关键挑战并指出可能的发展路径。

作者认为，通过量子密钥分发扩展量子安全通信的距离是最重要的短期应用。从长远来看，量子中继器还可以将空间上分离的量子计算机互联，从而实现分布式量子计算和建立所谓的“量子互联网”。量子传感器网络也有潜在应用，例如高精度时钟和测量系统。

“未来，量子中继器在量子网络中的作用可能类似于经典中继器在当今电信网络中的作用，但基于完全不同的物理原理，”弗劳恩霍夫系统与创新研究所的 Lukas Weymann 博士解释道，他是该研究的首席作者。“从长远来看，它们将使我们能够获取一种全新的资源——分布式纠缠。最终会出现哪些应用，以及我们的技术格局将发生多么深刻的变化，目前还无法完全预见。”

技术路径多样，但目前尚无主导平台

路线图显示，全球研究正在蓬勃发展。与此同时，这一技术领域仍处于早期阶段。目前，多个不同的硬件平台正在进行深入研究，包括金刚石中的色心、单囚禁原子和离子、温与冷原子系综、稀土离子掺杂晶体以及半导体量子点等。

该分析的一个关键发现是，迄今为止尚未有任何单一平台明显脱颖而出成为主导。相反，不同的方法各有其独特的优势和挑战，例如在存储时间、效率、可扩展性或兼容性方面。因此，该研究认为有充分理由继续并行推进多条技术路径。结合不同平台的混合系统未来也可能变得更加重要。

预计2035年前实现首批重大演示

然而，在应用广泛普及之前，还必须克服大量的科学和技术挑战。这些挑战包括提高效率和存储时间、提升传输速率、将技术集成到现有电信基础设施中，以及标准化和产业化规模化。

短期内，研究人员预计将出现更多针对单个组件和网络功能的演示。能够在长距离上以低于直接连接的损耗传输量子信息的量子中继器，可能在2035年前首次得到演示。这将是通往未来量子网络道路上的一个重要里程碑。从长远来看，预计将实现诸如远距离量子计算机组网或全球量子网络等应用演示。

“从今天的实验室演示到可商业化的量子中继器，还有很长的路要走，”Lukas Weymann 表示。“然而，近年来的进展表明该领域正在形成巨大的发展势头。要充分利用这一潜力，我们需要一个长期多元化的研究阶段，以及科学界、产业界和政策制定者之间的紧密合作。从基础研究到可市场化应用的成功技术转移已经具备了有利的基础条件：德国的高科技议程设定了宏伟的政策目标，一个由研究机构、初创企业和商业公司组成的量子生态系统已在德国国内和整个欧洲建立起来。我们应当继续在此基础上前行。”