引 言

2026年5月，国际顶级物理期刊《Physical Review Letters》以编辑推荐形式发表了一项重磅成果：德国慕尼黑工业大学、瓦尔瑟-迈斯纳研究所联合团队，首次在最高4K的热微波网络中，实现了两台空间分离稀释制冷机之间的微波量子态隐形传态，保真度大幅超越经典通信极限，为分布式超导量子计算与大规模量子网络铺平了道路。

这不是科幻里的“物体瞬移”，而是量子态的安全远距离传输—— 它解决了超导量子电路必须在毫开级极低温运行、难以规模化组网的核心痛点，让 “高温” 微波量子通信从理论走向实验现实。

第一章 超导量子计算的 “成长烦恼”：被极低温困住的量子巨人

超导量子电路是当前最成熟的量子计算平台之一，已实现上百量子比特的相干操控，是迈向实用化量子计算的主力路线。但它有一个致命限制：

· 工作频段：5GHz左右微波波段；

· 工作温度：~10mK（接近绝对零度，-273.14℃），必须靠稀释制冷机这种“超级冰箱”才能实现；

· 核心矛盾：单台制冷机的空间、冷却功率有限，无法容纳数百万物理量子比特，而多制冷机组网需要跨设备的量子通信，传统微波通道一离开极低温就会被热噪声淹没，量子态直接 “失效”。

简单说：超导量子比特是极低温里的脆弱精灵，一遇热噪声就“死机”，想把多台量子计算机连成网络，几乎是不可能完成的任务。

而微波量子通信因和超导量子电路完美兼容，本应是量子网络的 “最佳信使”，却一直被热噪声和极低温依赖卡脖子。此前微波量子隐形传态仅能在单台制冷机内部实现，无法跨设备、更无法在高于100mK的环境下工作。

第二章 量子隐形传态：不是瞬移物质，是瞬移量子态

先澄清一个核心误区：量子隐形传态≠物体瞬移。

1993年，Bennett等科学家提出这一协议，核心是利用量子纠缠+经典通信，把未知量子态从A点传到B点，不传输粒子本身。整个过程分四步：

1. 制备一对纠缠粒子，分别发给发送方Alice和接收方Bob；

2. Alice对待传输的量子态与自己的纠缠粒子做联合测量；

3. Alice把测量结果通过经典信道（如光纤、电缆）发给Bob；

4. Bob根据结果对自己的纠缠粒子做操作，重构出原量子态。

它的两大优势：

1. 绝对安全：窃听者无法截获量子信息，测量会破坏量子态；

2. 突破载体限制：不用传输脆弱的量子粒子，只传量子态信息。

本次实验用的是连续变量量子隐形传态，以微波相干态为传输对象，以双模压缩态（TMS）作为纠缠资源，更适合微波波段的量子操控。

第三章 实验硬核装置：两台超级冰箱+6.6米量子低温链路

团队搭建了全球首个跨制冷机、可升温的微波量子隐形传态系统，核心装置堪称量子通信的 “精密艺术品”。

图 1 低温链路与实验装置示意图

图注：(a)连接Alice与Bob两台稀释制冷机的低温链路核心结构，两台设备中心间距6.6米，采用铌钛（NbTi）超导同轴电缆作为量子通道，链路中心可通过加热器升温至4K；(b) 模拟前馈的相干量子隐形传态协议流程；(c) 双模压缩态（TMS）产生原理；(d) 基于约瑟夫森干涉仪的前馈信号生成；(e) Bob 端局部位移操作流程。

这套装置的三大关键设计：

1. 双制冷机节点：Alice（发送）、Bob（接收），均为稀释制冷机，工作在43mK毫开温区；

2. 超低损耗超导通道：6.6米长NbTi超导电缆，损耗仅1dB/km，超导临界温度～10K，4K下仍保持超导特性；

3. 量子态操控核心：4个约瑟夫森参量放大器（JPA），负责产生纠缠、完成测量，工作频率5.35GHz，是微波量子态的 “操控手”；

4. 可升温热通道：链路中心嵌入加热器，可将通道温度从170mK（基温）升至4K，模拟热噪声环境。

第四章 核心实验成果：1K超不可克隆阈值，4K仍完胜经典

实验分两大核心阶段：极低温基态传态、热通道（1K~4K）传态，所有结果均以保真度F衡量——即传输后量子态与原态的重合度，数值越高，传输质量越好。

两个关键阈值（判断是否为“真正量子传输”）

· 经典通信阈值：F_cl=1/2（50%），超过即证明有量子优势；

· 不可克隆定理阈值：F_nc=2/3（≈66.7%），超过即实现无条件安全的量子传态。

图 2 跨制冷机量子隐形传态性能

图注：(a)不同压缩水平下双模压缩态的纠缠度（负值）与纯度，实验选定5dB压缩为最优工作点；(b) 量子/经典传态保真度随输入光子数的变化，蓝色区域为超不可克隆阈值区间，灰色为超经典阈值区间；(c) 输入态与传输后态的维格纳函数，直观展示量子态保真度。

1. 极低温基温（170mK~1K）：完美量子传输

· 最优保真度：72.6±0.1%，1K时稳定在72.3±0.5%；

· 核心突破：大幅超越不可克隆阈值（66.7%），实现无条件安全的微波量子隐形传态；

· 通信速率：估算达0.68 Mbit/s，是微波量子通信的重要性能突破。

2. 热通道（4K）：热噪声下仍保持量子优势

这是本次实验最震撼的成果：把通道加热到4K（比量子节点温度高近100倍），量子隐形传态依然成功！

· 4K保真度：59.9±2.5%；

· 核心意义：远超经典阈值（50%），证明量子纠缠能在 4K 热微波通道中存活，量子态不会被热噪声完全摧毁。

图3 4K热通道中的纠缠分发性能

图注：(a)链路中心温度升高时，Alice、Bob制冷机混合室（MC）的温度变化，寄生加热是保真度下降的主因；(b) 双模压缩态的纠缠度（负值）与纯度随通道温度的变化，4K时纠缠度仍大于0，证明量子纠缠未消失。

图4 4K热通道中的量子隐形传态保真度

图注：(a)通道温度从0.17K升至4K时，量子/经典传态保真度变化曲线，4K时量子保真度仍高于经典阈值；(b)不同温度下传输后量子态的维格纳函数，温度升高导致量子态弥散，但仍保持相干性。

第五章 为什么能在4K热通道成功？两大科学密码

很多人会问：微波量子态对热噪声极敏感，为什么4K下还能成功？答案藏在材料特性和量子力学定理里。

1. 超低损耗NbTi超导电缆：隔绝热噪声的“量子护盾”

NbTi超导电缆的损耗极低（1dB/km），根据涨落-耗散定理：通道损耗趋近于0时，即使环境温度很高，热噪声也几乎无法耦合到量子态上。

通俗说：超导电缆像一层“隔热罩”，把4K的热噪声挡在外面，让微波光子只传输量子态，不吸收热量。

2. 双模压缩态（TMS）：抗噪的纠缠资源

实验用5dB压缩的TMS态作为纠缠源，这种连续变量纠缠态对热噪声有天然抗性，即便混入少量热噪声，仍能保持量子关联，支撑隐形传态协议运行。

保真度下降的 “真凶”：寄生加热

实验发现，4K下保真度降低，不是通道热噪声，而是链路中心的加热器通过热耦合，悄悄升高了Alice、Bob制冷机的温度，破坏了量子节点的极低温环境。这是未来工程优化的核心方向。

第六章 这项突破，到底改变了什么？

从实验室到量子产业，这篇论文的成果有三大里程碑意义：

1. 打破超导量子网络的 “极低温枷锁”

首次证明：微波量子通信不需要全程毫开级低温，4K 热通道即可实现量子隐形传态。4K 是商用制冷机极易实现的温度，意味着未来超导量子网络不再依赖昂贵的稀释制冷机，大幅降低组网成本。

2. 实现跨制冷机微波量子隐形传态

此前微波隐形传态仅能在单台制冷机内完成，本次实现两台空间分离制冷机的量子态传输，是分布式超导量子计算的关键一步 —— 把多台小型量子处理器连成一台 “超级量子计算机”，终于有了可行的通信方案。

3. 为混合量子网络铺路

超导量子电路（微波）、光量子系统（可见光）、半导体量子点可在 4K 左右工作，本次技术能实现不同量子系统的微波接口互联，构建多体系融合的混合量子网络，拓展量子通信与计算的边界。

第七章 未来优化方向：从实验突破到实用化

团队同时给出了清晰的升级路径，让这项技术更快走向应用：

1. 解决寄生加热，提升热通道保真度

采用热开关、多层隔热、热阻断等低温工程技术，把 4K 热通道与毫开级量子节点完全隔热，可让 4K 传态保真度再提升10%以上。

2. 替换超低损耗超导器件

当前保真度损失的另一主因是环形器、耦合器等被动器件的损耗，替换为超导器件后，保真度可提升约 15%，逼近 80%。

3. 实现量子比特隐形传态

团队理论预测：将连续变量相干态传态升级为量子比特传态，5dB压缩下平均保真度达62.2%，10dB压缩可达70.7%，直接支撑分布式量子计算的逻辑门操作。

第八章 结语：量子网络的“常温化”，从微波开始

从1993年量子隐形传态理论提出，到光量子隐形传态实现地星千公里传输，再到今天4K热微波通道跨制冷机传态，人类正在一步步打破量子通信的环境限制。

这项2026年的PRL编辑推荐成果，不只是一次实验突破，更是超导量子网络从“极低温实验室”走向“规模化商用”的关键转折点。它证明：微波量子通信可以在“不那么冷”的环境下工作，量子互联网的落地，不再遥不可及。

未来，当多台超导量子计算机通过 4K 微波链路协同运算，我们将真正迎来分布式量子计算的时代，解决经典计算机无法处理的药物研发、气候模拟、密码破解等世界级难题。

参考文献：

Yam, W. K. et al. Quantum Teleportation over Thermal Microwave Network. Phys. Rev. Lett. 136, 180801 (2026).