2026年8月21日——美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室与纽约州立大学石溪分校（石溪大学）的研究人员成功地在两机构之间的开放空气中传输了携带量子信息的光粒子。这是美国首次此类演示，也是将该国最长的量子网络——目前已连接多个机构的八个节点——扩展到光纤电缆极限之外的关键里程碑。

“量子信息科学的未来不仅取决于单个量子计算机和设备的能力，还取决于我们将它们连接起来的能力，”美国能源部科学副部长Darío Gil表示。“随着能源部推进其Genesis任务，我们正在构建一个互联互通的研究生态系统，使先进计算、人工智能和量子技术能够协同工作，应对我们面临的一些最复杂的科学挑战。布鲁克海文实验室和石溪大学今天展示的能力，是朝着实现这一愿景迈出的重要一步。”

在8月21日（周五）的一次白天演示中，研究人员在石溪大学最先进的量子瞭望塔中，用激光产生了仅包含少数几个单个光子的光量子态。光子从位于纽约州石溪市石溪大学健康科学中心屋顶的量子瞭望塔中，从直径仅约5微米——不到人类头发丝宽度的十分之一——的光纤纤芯中射出，穿越13英里（21公里）抵达位于纽约州厄普顿的布鲁克海文量子灯塔。

在量子灯塔中，Gil剪断了遮挡接收孔径的彩带，使光子得以到达探测器。研究人员和嘉宾们聚集在量子灯塔——它建在布鲁克海文实验室唯一一座与石溪大学之间有清晰视线的建筑顶部——观看超快相机标记光子抵达一根同样细小的光纤的瞬间。

这次白天演示展示了两机构之间自由空间光通信（FSO）链路的非凡精度，研究人员在相距数英里、直径仅几分之一毫米的光纤之间传输光子。但该团队已经推进到使用纠缠光子进行下一阶段实验——纠缠光子是由量子力学定律内在关联的光粒子对。

在背景光水平较低的夜间测试中，研究人员成功地将纠缠光子从石溪大学物理实验室通过光纤发送到量子瞭望塔，然后通过新的FSO链路分发，并在量子灯塔成功接收和测量。这是朝着实现两机构之间——最终更远距离——持续“无线”交换量子信息的关键进展。

FSO链路——包括量子灯塔和量子瞭望塔，以及正在康涅狄格州纽黑文耶鲁大学开发的第三座设施——为目前横跨长岛和纽约大都会地区、总长161英里、连接多个机构的创纪录量子网络增添了无线组件。

利用这一由石溪大学和布鲁克海文实验室开创的网络，研究人员可以通过商用光纤传输纠缠光子。由于这些粒子即使在远距离分离时仍保持纠缠态，测量一个光子会立即揭示其配对光子的信息。这种常被称为“鬼魅般的超距作用”的特性，是未来超安全通信、先进量子传感和网络化量子计算的关键。

“在我们的长距离光纤网络中，我们常规性地传输纠缠光子对。然而，这种光纤网络仅限于使用电信波长。在我们新的量子无线链路中，我们正在探索使用量子处理器及相关技术天然使用的红外波长，”石溪大学量子研究所所长、文理学院物理与天文学系校长冠名物理学教授、同时在布鲁克海文实验室任职的Eden Figueroa表示。“这将为跨长距离创建纠缠原子系统提供直接途径。”

纽约州立大学石溪分校校长Andrea Goldsmith表示：“将我们的量子通信网络扩展到包含无线链路，是我们发展量子物联网的一次重大飞跃。我非常激动，我们优秀的石溪大学研究人员与布鲁克海文国家实验室的合作伙伴一起，在克服通过纠缠光子无线发送量子信息的重大挑战方面展示了令人瞩目的进展。通过解锁无线量子连接并将其纳入世界上唯一支持基于纠缠的量子通信的城域网，我们正在变革安全数据传输，同时将长岛打造为创新枢纽。我们衷心感谢我们的民选官员——州长Hochul、参议员Schumer、参议员Gillibrand和众议员LaLota——感谢他们的慷慨支持并为长岛量子研究争取到投资。最终，这将使纽约州站在量子信息科学及其在金融、医疗保健和网络安全领域安全通信应用的最前沿。”

构建FSO链路

从某种意义上说，经典互联网从有线连接到有线与无线技术复杂网络的演变，为迈向全球量子网络提供了路线图。但研究人员还需要借鉴一个看似不相关的领域的专业知识：天文学。

当今的经典无线技术，包括手机和在轨卫星，使用射频在没有物理连接的情况下传输信息。但射频噪声太大，无法保持脆弱的量子信息。因此，研究人员转而使用光来通过开放空气发送量子信号。

“人们认为望远镜是观测太空的工具，但让天文学家能够精确收集和控制光的那些技术，对这些量子实验同样至关重要，”布鲁克海文实验室跨机构FSO链路项目首席科学家Justine Haupt表示。

Haupt和她在布鲁克海文的同事是望远镜方面的专家，曾为多个著名的天文学项目建造关键组件。但由于布鲁克海文实验室和石溪大学之间存在比地球与恒星之间更强烈的湍流大气，科学家们需要开发足够精密的技术，以确保光子在机构之间传播时不会发生畸变或丢失其脆弱的量子信息。但这只是更大难题中的一部分。

“布鲁克海文和石溪都需要为经过量子实验优化的望远镜系统建造专业的屋顶设施，”Haupt说。“我们需要集成光学、控制、通信、量子源和探测器，使相距21公里的设备能够作为一个实验来运行。将这些组件整合在一起——然后再加上量子层——正是这项能力的独特之处。”

“纽约州致力于投资于推动社会发展的新兴领域的尖端研究和创新，”纽约州州长Kathy Hochul表示。“纽约州立大学石溪分校与布鲁克海文国家实验室之间的合作，是协作如何推动发现和创造变革性技术的绝佳范例。”

展望未来

相位折叠光子分析——8月19日（周三），布鲁克海文实验室量子灯塔的研究人员探测到了从石溪大学量子瞭望塔传来的纠缠光子。上图红线和蓝线的分叉，以及下图红条和蓝条的差异，表明探测到的光子（红色，同相速率）相比背景计数（蓝色，异相速率）有所增加。这一数据证实了量子灯塔中的研究人员看到了量子信号。（布鲁克海文国家实验室）

耶鲁大学的设施——FSO链路的第三段——最近刚刚建成，研究人员将很快开始建立石溪大学-耶鲁大学的连接，以便他们还能横跨长岛海峡传输30英里（48公里）的纠缠光子。

“在完成这段更长链路的同时，团队正在同步推进我们的终极目标之一：通过地球大气层将量子信息传输到轨道卫星，”布鲁克海文实验室发现技术副实验室主任Gabriella Carini表示。“将卫星纳入网络，有助于将安全量子通信带到地面电信基础设施最少的乡村或偏远地区，使量子网络从区域网络转变为全球网络。”

扩展到光纤极限之外，还为新型量子实验打开了大门，使研究人员能够使用与商用光纤优化的电信波长不同的波长（或“颜色”）的光子。许多量子技术天然在这些其他波长下运行，使自由空间链路成为长距离连接量子设备的一条有前景的路径。研究人员最终设想利用FSO链路连接布鲁克海文和石溪大学——乃至更远——的量子计算机，使它们能够协同工作，解决美国一些最紧迫的科学挑战。

“布鲁克海文长期以来一直处于量子信息科学的前沿，这一成就代表了这段旅程中的又一个重要步骤，”布鲁克海文实验室主任John Hill表示。“这条自由空间链路本身就是一座关键里程碑，但它也是通往分布式量子系统的更大路线图的一部分。我们将继续提升网络能力，使研究人员能够将日益复杂的量子系统连接在一起，以今天不可能实现的方式解决从计算到通信再到传感的一系列问题。”

美国众议员Nick LaLota表示：“副部长Gil重返布鲁克海文国家实验室再次提醒我们，世界上一些最重要的科学工作正发生在萨福克县。量子研究将在塑造我们日常依赖的技术方面发挥重要作用，同时加强我们的国家安全，确保美国保持在科学创新的前沿。在华盛顿必须明智使用纳税人资金之际，我专注于优先考虑对布鲁克海文和石溪大学项目和合作伙伴关系进行明智、有针对性的投资，以支持长岛的高薪就业、推进开创性研究，并保持美国在创新领域的世界领先地位。”

帝国州发展公司董事会主席Kevin Law表示：“长岛长期以来一直是世界上一些最重要科学机构的所在地，今天的里程碑证明了这些机构合作时能产生怎样的成果。石溪大学与布鲁克海文国家实验室的合作正在帮助长岛确立量子技术领导者的地位，并使该地区在未来多年能够吸引人才、投资和经济增长。”

布鲁克海文实验室的工作主要由美国能源部科学办公室支持。石溪大学的这项工作由国家科学基金会和纽约州帝国州发展公司支持。