中国移动成功攻克高维量子技术难题

从比特到高维：中国移动量子攻关背后的算力网络"升维"战

导语

近日，中国移动研究团队在高维量子纠缠态制备领域取得重要突破——在一块仅16毫米×1.5毫米的可编程硅光量子芯片上，成功制备出三体四维GHZ纠缠态和W纠缠态，保真度分别达到93.2%和90.1%，刷新了该方向规模上的国际纪录。相关成果发表于Nature子刊及国际顶级光学期刊《Light: Science & Applications》（2025年影响因子24.0）。

这一突破的产业意义远超论文本身。当电信运营商开始系统性进入量子科技赛道，传统通信网络的角色正在被重新定义。在"东数西算"工程与算力网络战略持续推进的产业背景下，通信与量子的深度耦合将深刻影响下一代信息基础设施的走向。

【一】为什么是"高维"？——量子系统的升维逻辑

量子纠缠态被视为量子技术的核心资源，量子通信、量子计算、量子精密测量等前沿应用的突破，几乎都建立在高质量纠缠态的基础之上。过去二十余年，全球量子研究的主战场集中在二维量子系统——即基于量子比特（qubit）的纠缠制备，这也是当前主流超导量子计算路线（IBM、谷歌等）所采用的物理载体。

但二维并非自然界量子过程的全部。当量子系统需要描述更复杂物理现象，或承载更密集信息流时，二维量子比特的"信息密度"和"抗噪能力"便显露出天花板。高维量子信息单元（qudit）拥有更多基本状态——四维单元具备0、1、2、3四种基本状态，六维单元则进一步扩展——由此带来三个层面的优势：

第一，信道容量跃升。 单个高维光子可编码更多比特信息，意味着同样的物理线路上，量子通信的密钥分发速率与量子计算的信息处理效率可获得显著提升；第二，抗噪声能力增强。 高维纠缠态对环境退相干具有更强鲁棒性，量子信息在长距离传输或复杂计算任务中能保持更高保真度；第三，计算线路简化。 在执行特定算法时，高维量子系统能用更少的逻辑门完成等价运算，从而降低量子计算线路的整体复杂度。

然而，高维量子纠缠态的研究长期面临两大瓶颈：一是理论体系尚不完善，尤其是高维W纠缠态等关键概念缺乏普适性定义；二是规模化制备难度极大，传统方案在光子数或维度增加时，资源消耗呈指数级增长，工程化路径不清。中国移动此次突破，正是切入了这一关键空白地带。

【二】从理论到芯片：一条"三位一体"的技术路径

此次成果的核心价值，在于其构建了一条从理论构建、方法创新到芯片制备的完整方法链，而非孤立的实验现象。

理论上，团队首次提出高维W纠缠态的普适定义。 W纠缠态与GHZ纠缠态是两类最重要的多体纠缠形式，在量子计算和量子网络协议中扮演不同角色——GHZ态对集体操作敏感，而W态在部分粒子丢失后仍能保留纠缠特性，二者高度互补。在二维体系中，W态定义早已清晰；但当维度提升、参与粒子数变化时，原有定义便不再适用。中国移动团队给出的普适定义兼容不同单元数量与维度，为更大规模高维纠缠态的设计提供了理论锚点。

方法上，团队提出一套可扩展的高维纠缠态制备方案。 该方案的核心巧思在于"一个光子承载多个信息单元"——利用单光子的高维特性（如空间模式、路径自由度等），结合量子延迟测量理论，将传统上需要多个独立光子完成的纠缠制备任务压缩到更少光子数量上完成。这意味着在不增加硬件复杂度的前提下，纠缠规模可被有效放大。

实验上，团队在16毫米×1.5毫米的可编程硅光量子芯片上完成验证。 芯片以一个光子承载两个量子信息单元、另一光子承载第三个单元，三者各具四种基本状态，构成"三体四维"量子系统。最终制备的三体四维GHZ态和W态保真度分别达到93.2%和90.1%，创下高维多体纠缠态规模最高纪录。

值得注意的是，硅光量子芯片路线具有显著的工程化潜力：与CMOS工艺兼容，理论上可借助成熟半导体产线实现大规模量产；可编程特性则意味着同一芯片可适配多种实验方案与协议，为后续工程化落地预留了接口空间。从理论定义到芯片制备的完整闭环，不仅是一项单点突破，更是一套可复用的技术路线框架——这也是其能够登上Nature子刊与《Light: Science & Applications》的根本原因。

【三】运营商为何要"啃"量子？——通信产业的战略升维

把视线从技术细节拉远，更值得行业关注的是这一攻关背后的产业逻辑：作为电信运营商，中国移动为何要在量子科技这一前沿领域做如此深度的底层投入？这需要从三个维度来理解。

第一，量子通信与现有通信网络天然耦合。 量子密钥分发（QKD）是目前量子通信最接近规模化应用的形态，而QKD网络必须依托光纤等物理介质。中国电信运营商拥有全球规模最大的光纤基础设施、机房资源和网络运维能力，这是任何专业量子通信企业短期内都难以复制的核心资产。在QKD与经典通信共纤传输、城域量子干线建设等场景中，运营商的角色不可替代。事实上，国内主要运营商近年来均已在量子通信领域布局，从骨干网试点到行业专网，产业渗透持续加深。

第二，量子算力网络是"算力网络"的下一站。 中国移动近年来力推的算力网络战略，致力于将分散算力资源汇聚为可统一调度、泛在服务的基础设施。当算力网络演进到量子时代，量子计算节点将以"量子算力"的形式接入网络——届时，算力网络的协议栈、调度逻辑、安全机制都将发生根本性变化。运营商如果在量子纠缠态制备、量子-经典网络融合等底层环节提前卡位，将在未来算力网络的架构定义中掌握主动权。中国移动在高维量子纠缠态上的布局，正是这种"提前卡位"的具象化。

第三，量子精密测量为通信网络运维带来增量价值。 量子精密测量在时间同步、定位导航、信号检测等领域应用潜力显著。对于拥有百万基站、海量机房和复杂传输网络的运营商而言，量子精密测量技术有望在网络同步精度、故障检测灵敏度等场景中创造新的运营价值，形成"量子技术反哺通信网络"的闭环。

换言之，量子科技对运营商而言不是"副业"，而是核心通信网络能力延伸的战略方向。从二维到高维的跃迁，不仅是量子系统本身的演进，更是通信产业向更高技术维度升级的缩影。

【四】从单点突破到产业协同：量子科技的"中国节奏"

将中国移动此次突破放入更宏观的坐标系中观察，可以清晰看到中国量子科技产业正在形成一种独特的协同节奏。

在基础研究层面， 中国在量子通信领域已具备先发优势——墨子号量子科学实验卫星、京沪干线等标志性工程相继落地，构建了从卫星到地面的完整实验体系。中国移动此次在高维量子纠缠态上的突破，则进一步丰富了中国在量子信息基础研究版图中的纵深。

在工程化层面， 量子科技正从实验室走向产业化。量子通信产业链已初步形成，涵盖光源/探测器芯片、QKD设备、系统集成、网络运营等环节；量子计算领域，国盾量子、本源量子等企业在超导、光量子、离子阱等不同路线上并行推进；运营商的加入，则补齐了网络运营与基础设施这一关键环节的产业闭环。

在国际竞争层面， 全球主要经济体均将量子科技列为战略优先级。美国通过《国家量子倡议法案》持续投入，欧洲推出"量子旗舰"计划，英国、日本等也在加速布局。在这一格局中，中国在量子通信与量子计算的部分领域已处于并跑或领跑位置，而运营商作为网络基础设施的核心运营者，其量子能力建设将构成国家量子战略的重要组成部分。

从更长远的时间轴来看，量子科技与人工智能、6G通信的融合演进将催生全新产业形态。AI for Science已经在量子化学模拟、量子算法设计等领域发挥作用；6G网络对内生安全、极致性能的追求，与量子通信、量子精密测量存在天然契合。运营商在这些交叉领域的提前布局，将影响下一代信息基础设施的架构走向。

结语

回到中国移动此次的具体突破——16毫米×1.5毫米的硅光芯片，看似只是论文中的一个实验细节，其背后却牵动着量子通信工程化、量子算力网络架构、下一代通信基础设施演进等多个产业级命题。

从二维到高维，量子系统自身的"升维"与通信产业的"升维"正在同步发生。当电信运营商不再只是"管道"，而是量子科技创新的重要参与者和标准定义者，整个信息产业的版图都将被重新绘制。中国移动此次的研究突破，或许只是这场深刻变革的一个序章。对于通信行业从业者而言，量子已不再是一个遥远的科研议题，而是正在嵌入产业基因中的下一代基础设施底座。