量子网络由相互连接的量子处理器组成，可实现多种有用的应用，如量子密钥分发、分布式量子计算和分布式量子传感等。超导量子比特作为量子信息处理的有前景的平台，其构成的量子网络能够提高超导量子处理器的可扩展性，并可用作量子通信协议的测试平台。

此前在量子通信方面已有诸多实验进展，包括量子态转移、纠缠生成、纠缠蒸馏以及门传送等。然而，构建更复杂、更实用的量子网络仍面临诸多挑战，需要进一步的研究和实验验证。

在此背景下，6月13日，美国芝加哥大学、伊利诺伊大学以及阿贡国家实验室的研究人员在arXiv平台上发表题为“Quantum secret sharing in a triangular superconducting quantum network”（三角形超导量子网络中的量子秘密共享），Haoxiong Yan为第一作者。

在本文中，研究人员展示了三角形拓扑超导量子网络在实现量子秘密共享方面的优势。研究团队构建了一个三节点量子通信测试平台，每个节点包含两个超导量子比特，并通过1.3米长的传输线相连。经认证，该平台实现了任意两个节点之间的量子态转移和纠缠生成，平均转移效率达到（88.8±1.2）%，贝尔态保真度达到（95.2±1.1）%。

此外，研究人员还成功生成了真正的多体纠缠GHZ态，并实现了经典信息的量子秘密共享。通过监测密钥错误率，量子秘密共享协议能够有效检测外部窃听，确保秘密共享的安全性。这些结果得益于研究人员在量子网络中贡献的量子纠缠交换方法、用于在量子通信过程中保持纠缠纯度的动态解耦协议，以及在量子网络中实现的量子秘密共享协议。结果表明，利用三角形超导量子网络在实现安全量子通信方面具有优势。

研究背景

在量子信息时代，构建可靠、高效的量子网络成为实现诸多前沿应用的关键。量子网络凭借其独特优势，在量子密钥分发、分布式量子计算与传感等领域展现出巨大潜力。超导量子比特作为量子信息处理的有力候选平台，既能提升量子处理器的可扩展性，又可作为量子通信协议的测试床。

尽管量子安全通信领域已取得诸如量子态转移、纠缠生成等实验进展，但构建实用化量子网络仍面临诸多挑战。在此背景下，本研究聚焦三角形超导量子网络，探索其在量子秘密共享等实际应用中的可行性，旨在为量子安全通信技术发展提供创新思路与解决方案，推动量子网络向更复杂、更实用的方向迈进。

理论方法

量子秘密共享协议是本研究的核心理论基础。该协议利用多体纠缠GHZ态，由信息发送方（Alice）通过特定操作将秘密信息编码在量子态中，再分发给多个接收方（如Bob和Charlie）。各方分别随机选择测量轴并公布测量方向（而非结果），依据测量轴选择的组合，接收方协同解读秘密信息。单独的接收方因缺乏完整测量结果，无法获取任何有效信息，从而保障秘密的安全性。

为实现这一协议，需借助多体纠缠态生成技术。研究人员在三节点量子网络中，通过精准操控量子比特间的耦合与量子态转移，生成GHZ-3态和GHZ-5态。

具体而言，先在两节点间生成贝尔对，再利用CNOT门等量子操作将纠缠扩展至三节点，形成多体纠缠。动态解耦技术贯穿整个量子操作流程。通过在量子通信和量子操作过程中施加重复的动态解耦X门，有效抑制环境噪声与退相干效应，降低其对量子态质量的影响。

例如，在量子比特等待或传输过程中，周期性施加X门操作，使量子比特与环境的耦合效应相互抵消，进而延长量子比特的相干时间，提升量子态转移与纠缠生成的保真度。这些理论方法相互配合，为构建安全、高效的量子秘密共享系统提供了坚实的理论支撑。

实验方案

研究人员精心设计并搭建了三角形拓扑结构的三节点量子通信测试平台。每个节点由两个容性耦合的Xmon量子比特构成，量子比特通过可调耦合器连接至1.3米长的共面波导传输线，实现节点间的通信互联。

图：实验配置图。图(a)展示三角形通信网络示意图；图(b)展示已制备器件的背照式照片；图(c)展示节点A的详细电路；图(d)展示物理布局

实验中，首先对各量子比特进行单独表征，测量其能量弛豫时间T1和纯退相干时间Tφ，以评估量子比特的性能。采用30ns的共振微波脉冲执行单量子比特旋转，并运用随机化基准测试对单量子比特门的保真度进行基准测试。对于耦合量子比特，通过调整频率实现两量子比特操作，如CZ和iSWAP门，并利用交叉熵基准测试对CZ门的保真度进行评估。

在量子态转移与纠缠生成实验中，研究人员精心设计脉冲序列。以节点A和C为例，先将量子比特A2激发至特定态，打开耦合器GA2并调谐A2与传输线模式共振，使量子态从A2转移至传输线。

图：量子态传输和纠缠生成图。图(a)展示量子比特C1与连接节点A和C的传输线中多个驻波模式之间的真空拉比振荡，展示了1.3米长CPW线的50 MHz自由光谱范围；图(b)展示脉冲序列；图(c)展示节点A与C之间态转移和纠缠生成的脉冲序列；图(d)展示A2（蓝色）和 C1（橙色）的| e⟩态布居数随首次交换时间τ1的变化，绿色和红色箭头分别表示对应态转移（ST）和贝尔态生成（ST/2）的τ1时刻

随后，打开耦合器GC1并使量子比特C1与传输线模式共振，将量子态从传输线转移至C1，实现量子态在A2和C1之间的转移。通过精确控制耦合强度和相互作用时间，完成贝尔态的生成。为实现多体纠缠态的构建，研究人员进一步拓展实验方案。在生成贝尔对的基础上，利用CNOT门等操作将纠缠扩展至三个节点，生成GHZ-3态和GHZ-5态。例如，先生成A2和C1间的贝尔态，再通过CNOT门操作将C1和C2耦合，形成A2C1C2的GHZ-3态。

最后，通过量子态转移操作将C2的量子态转移至B2，构建A2C1B2的GHZ态。量子秘密共享实验则基于上述多体纠缠态展开。按照协议要求，各方随机选择测量轴并公布测量方向，通过测量结果的统计规律验证秘密共享的有效性。同时，为评估协议的安全性，研究人员模拟窃听攻击场景，分析错误率变化以验证量子秘密共享协议对窃听的检测能力。

图：量子秘密共享脉冲序列图。图(a)展示量子秘密共享的脉冲序列；图(b)展示A2C1C2的密度矩阵；图(c)展示A2C1B2 GHZ态的密度矩阵；图(d)展示当三个量子比特沿x轴测量时，不同三量子比特态的测量概率，蓝色柱形表示鲍勃和查理能成功解码爱丽丝所持秘密的结果；图(e)展示A2C1B2处于|000⟩、|011⟩、|101⟩或|110⟩态（蓝色，同(d)），或|001⟩、|010⟩、|100⟩或|111⟩态（红色）的测量概率随施加于量子比特A2的旋转ϕA的变化。

研究成果

本研究在三角形超导量子网络中取得了显著成果。

量子态转移与纠缠生成实验表明，在任意两个节点间可实现高效的量子态传输，平均转移效率高达（88.8±1.2）%，贝尔态保真度达到（95.2±1.1）%。进一步的纠缠交换实验中，平均交换后的贝尔态保真度为80.4±1.3%，验证了纠缠交换的可行性。

多体纠缠态生成实验成功构建了GHZ-3态和GHZ-5态，保真度分别达到（82.6±0.8）%和（70.3±1.1）%，均超过真实多体纠缠的保真度阈值50%，为量子秘密共享提供了高质量的纠缠资源。

量子秘密共享实验中，错误率仅为（21.5±1.1）%，低于局部理论阈值25%，证明了协议的有效性与安全性。

此外，研究人员还发现，在窃听者尝试获取信息时，错误率随其纠缠程度增加而上升，充分展示了量子秘密共享协议对窃听行为的敏感性与检测能力。这些成果为量子网络的实际应用奠定了坚实基础，也为未来更大规模、更复杂的量子通信网络建设提供了关键技术支持与实验依据。

研究意义

这篇论文的研究意义可以从几个关键点进行分析：

1.理论探索价值

该论文在量子网络构建和量子安全通信方面进行了理论探索。以三角形超导量子网络开展量子秘密共享研究，通过动态解耦技术抑制退相干效应，为提升量子安全通信可靠性提供了技术支撑，推动了量子网络和通信技术的发展。

2.实验成果价值

论文成功构建了三节点量子通信测试平台，并实现了量子态转移、纠缠生成等功能，证明了超导量子网络在实际量子安全通信应用中的潜力，为后续构建更大规模的量子网络提供了重要的实验依据。

3.实际应用价值

论文研究为量子保密通信网络的发展提供了有力支持。量子秘密共享的成功实现为高安全性量子通信方案的可行性提供了参考。尽管目前处于实验阶段，但为未来量子互联网建设奠定了基础，具有重要的实际应用前景。

4.局限性分析

论文的研究也有一定的局限性。首先，量子网络规模较小，仅涉及三个节点，与实际应用中大规模量子网络的要求相比还有很大差距。其次，实验环境为超低温的稀释制冷器，限制了其在实际环境中的应用。此外，论文未考虑量子网络中的其他关键问题，如网络拓扑结构优化、量子资源分配等。

参考链接

[1]extension://ngbkcglbmlglgldjfcnhaijeecaccgfi/https://arxiv.org/pdf/2506.10878

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