近日，南京大学物理学院盛冲、刘辉和祝世宁团队在水下量子传感研究方向取得重要进展。研究团队首次实现一种兼具“通信—测距”功能的双功能声光量子换能器，可将水下声波高效转换为光纤中的单光子信号，并实现50公里光纤传输。同时，研究人员利用量子关联效应，实现了基于噪声的加密通信以及优于声波波长1/250的超精密距离测量。这一成果突破了传统水下通信中声学系统与光纤光网络彼此割裂的限制，为构建“空天地海一体化”的未来通信网络提供了新的技术路径。该成果以“Dual-function acoustic-to-optical transducers for underwater encrypted communication and subwavelength distance measurement”为题，于2026年5月29日发表于国际顶级学术期刊《Science Advances》。

随着“空天地海一体化”通信网络的发展，如何在不同物理媒介之间实现信息的高效传输与协同感知，已成为下一代信息技术的重要挑战。其中，水下环境由于电磁波衰减严重，长期依赖声波进行信息传输，但传统声学系统难以直接接入现代光纤通信网络。同时，未来智能网络不仅需要“传信息”，还需要具备“感知环境”“精准定位”以及“安全加密”等多重能力。实现声波、光子与量子信息之间的融合转换，构建兼具通信、测距与保密传输功能的新型换能器，已成为国际前沿研究的重要方向。

然而，传统水下声学器件大多仅具备单一功能，难以同时满足高灵敏通信、高精度感知以及抗噪加密等需求。本工作通过构建基于光纤法布里-珀罗微腔的双功能声光量子换能器，实现了水下声波向单光子信号的高效转换，并结合量子关联与时间相关单光子计数技术，首次实现了水下通信与亚声波长级测距精度的一体化集成。

图1 双功能声光量子换能器实现水下通信与高精度测距示意图。关联光子对经波分复用后分别进入参考光路与信号光路，其中信号光子经光纤法布里-珀罗微腔与水下声波相互作用，实现声学信息向单光子信号的转换；结合时间相关单光子计数（TCSPC）技术，可同步实现水下声学测距与信息解码。

研究团队基于周期极化铌酸锂（PPLN）非线性晶体构建高稳定性量子光源，通过自发参量下转换过程产生具有强频率反关联特性的纠缠光子对，并结合波分复用、单光子探测以及时间相关单光子计数（TCSPC）技术，首次实现了水下声学信息在量子光网络中的编码、传输、加密与高精度感知（见图1）。不同于传统水下通信主要依赖经典声学与电学体系，该工作首次将水下声波与光纤网络相结合，实现了声学信息向量子光信号的直接转换，为未来“空天地海一体化”量子通信网络提供了新的技术路径。

实验中，研究人员利用频率反关联纠缠光子对构建“参考光子—信号光子”双路径量子关联结构。其中，信号光子路径与水下声场发生相互作用，而参考光子则保留在独立光路中。由于纠缠光子之间存在量子非局域关联，即使参考光子从未直接接触声波，其测量结果依然能够恢复受到声学调制的真实信息。研究团队利用这一特性，实现了基于量子关联的非局域声学信息重构，并展示了类似“量子鬼成像”的跨路径信息恢复过程。这种机制突破了传统通信中“信号必须直接作用于探测器”的经典图景，展示了量子关联在跨媒介信息转换中的独特优势。

图2 基于TCSPC的水下声学信息加密与噪声抑制。（A）噪声辅助的加密通信实验系统示意图。研究人员在光纤网络中主动引入经典噪声光源，将真实声学信息隐藏于强噪声背景之中；同时，通过参考光子与信号光子的符合计数实现对真实信息的解密与恢复。（B）不同符合时间窗口条件下系统信噪比变化关系。随着符合时间窗口逐渐减小，背景噪声被有效抑制，（C）通过参考光子与信号光子的符合计数恢复真实信息“NJU”。

进一步地，研究人员将单光子谱划分为多个独立波长通道，并结合波分复用结构实现多通道声学调制的光信息分发。实验结果表明，不同波长通道能够选择性恢复对应声学调制信息，实现单光子层面的多信道信息路由与分发。同时，团队成功完成了声学信息在10公里与50公里光纤中的稳定传输，验证了该体系与现有光纤通信基础设施之间的兼容性。这意味着未来海洋中的声学信息有望直接接入现有城市级乃至洲际量子光网络，实现水下环境与地面量子通信系统之间的互联互通。

除信息传输外，研究团队还重点探索了量子关联在复杂噪声环境中的信息提取能力。实验中，研究人员主动向光纤传输系统引入经典噪声光源，使真实声学信息完全淹没于噪声背景之中。如果仅通过普通单光子计数进行探测，系统只能读取到随机噪声甚至错误信息；而通过参考光子与信号光子之间的符合计数，则能够从强噪声背景中重新恢复真实声学编码信息，实现基于量子关联的通信与信息加密（见图2）。研究结果表明，量子关联能够显著增强系统对真实信号的识别能力，而缺乏关联的背景噪声则会在符合探测过程中被有效抑制。研究团队还进一步演示了“虚假信息”注入机制，即通过经典光源主动发送诱骗信息，对潜在窃听者形成误导，而真实信息仅能够通过量子符合探测被正确解码。这种“隐藏于噪声中的真实通信”机制，为未来高安全等级水下通信网络与抗窃听光量子链路提供了新的实现方案。

在测量方面，研究团队结合TCSPC技术，实现了基于单光子时间标签的高精度相位测量与亚声波长级距离感知。实验中，系统通过同步调控纠缠光子参考路径与声学激励源，建立统一时间基准，并利用单光子符合计数恢复声波传播过程中的相位变化信息，从而实现对声源位置的高精度反演。实验结果显示，在约125毫米声波波长条件下，系统实现了约0.5毫米的距离分辨率，对应优于声波波长1/250的测距精度（见图3）。这表明，量子关联单光子体系不仅能够承担信息传输功能，还能够同时实现环境感知与高精度定位，展现出通信感知一体化的重要潜力。

图3 基于TCSPC技术的亚波长级距离测量。（A）量子声学测距实验系统示意图。（B）距离测量统计分布，实现约0.5毫米的距离分辨率，对应优于声波波长1/250的测距精度。

该工作的重要意义在于，首次将“量子增强的光声通信”“噪声加密”“高精度测距”以及“水下声学感知”等多个功能集成于统一平台之中。传统通信系统往往需要分别依赖声学模块、测距模块、加密模块以及光通信模块完成不同任务，而该工作则展示了量子关联光场在未来融合网络中的多功能特性。特别是在未来6G、海洋互联网以及量子互联网的发展背景下，跨媒介、跨环境的信息融合与协同感知能力将成为下一代通信网络的重要发展方向。本研究为未来海洋量子通信、量子传感以及空天地海融合网络的发展提供了新的技术方案。

该工作由南京大学物理学院的盛冲、刘辉、祝世宁课题组与合作单位共同完成。南京大学为论文第一完成单位和通讯单位。南京大学物理学院硕士研究生喻晓、周佳璇为论文共同第一作者；南京大学盛冲副教授、刘辉教授以及南京师范大学陆亮亮副教授为论文共同通讯作者。祝世宁教授对该工作进行了全程指导。此工作得到国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金，中央高校基本科研业务费的资助，同时得到南京大学固体微结构物理全国重点实验室、物理学院、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省量子信息科学与技术重点实验室等支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj6963