未来量子网络将是一个可扩展的、安全的、全互连网络，需整合多种传输链路，如卫星通信、地基自由空间通信和长距离光纤通信链路。大规模量子网络的构建依赖于大量量子中继器，其核心技术是量子纠缠交换（QES）。然而，现有的两种实现QES的方法无法满足构建大规模量子网络的需要。

在这里，我们提出了一种基于单光子频率转换（SPFC）的QES，该方案通过SPFC将不同频的光子转换为同频光子后再进行线性QES，突破了频率相同的限制的同时，并且成功在构建量子网络的实验中验证了可行性。该方案在跨网络量子资源共享、通信信道动态切换以及多重频谱高效互联等场景具有应用潜力，为构建大规模城域量子网络提供了可扩展的解决方案。

图1. 贝尔态测量（BSM）与基于纠缠交换的频率转换接口（FCI）和密集波分复用（DWDM）网络原理图。

如图1所示，我们提出的图1（c）中的QES方案同时继承了现有两种QES方案的优点的同时弥补了两种方案各自的不足之处。先利用频率转换技术将需要进行纠缠交换的光子转换为同一频率再进行线性的贝尔态测量（BSM），从而实现不同频率光子的高效的QES。

如图2所示，我们利用该方案构建量子网络对该方案的可行性进行验证。实验中的光子频率转换效率高达64.5%，并且SPFC之前和SPFC之后的纠缠光子对的平均可见度分别达到了95.49%±1.27%和83.6%±1.37%，超过了进行量子通信所需的阈值，验证了该方案的可行性。

图2. 实验装置图

该成果发表在“Zhantong Qi, Yilin Yang, Chennan Wu, Zixuan Liao, Bo Tang, Jiani Lei, Yuanhua Li, Jia Lin, Yuanlin Zheng, and Xianfeng Chen, Multiuser quantum communication network via time-bin-entanglement-based frequency conversion and Bell-state measurement, Phys. Rev. A 111 (2025) 052609.”。

原文链接：https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.111.052609