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提高量子密鑰率是量子通信最緊迫的任務之一。更高的密鑰率可實現更頻繁的密鑰交換，不僅能為更多網絡用戶提供服務，還能顯著提高量子通信效率。我國科學家將異步匹配技術與響應過濾方法引入量子通信，創造了城際量子密鑰率的新紀錄——傳輸距離201公里下量子密鑰率超過每秒57000比特、傳輸距離306公里下量子密鑰率超過每秒5000比特。相關成果20日發表于國際學術期刊《物理評論快報》。
安全是量子通信的最大特征。作為量子通信的主要方式之一，量子密鑰分發相當于在通信兩端之間加入一個“對暗號”的環節，雙方通過密碼驗證、確保環境安全后，再進行信息傳輸，可實現原理上無條件安全的保密通信。“對暗號”的速度越快，即密鑰率越高，量子通信效率也就越高。
在目前所有量子密鑰分發協議中，“雙場”是最適合遠距離傳輸的一種，但實現條件嚴苛：通信兩端之間需額外架設一條服務光纖或加裝一個光模塊以降低傳輸中的“信號”失誤。“測量設備無關”作為另一種協議，可關閉量子網絡中的所有探測端漏洞以防止竊聽，雖架構較“雙場”更加簡單，但密鑰生成效率較低，量子通信距離受到限制。這兩種協議各有利弊。
研究團隊將“異步匹配”技術應用于量子通信，大大提高了密鑰率。受訪者制圖
北京量子信息科學研究院袁之良團隊與南京大學物理學院副教授尹華磊合作，將“異步匹配”技術應用于量子通信，大大提高了密鑰率，且集中了“雙場”協議與“測量設備無關”協議的優勢，以更簡單的量子通信架構，實現了盡可能長的量子通信距離。
這一研究的最大貢獻是創造了城際量子密鑰率的新紀錄。在相距400公里處的密鑰率較此前提高了6個數量級。在傳輸距離306公里的安全密鑰率超過每秒5000比特，傳輸距離201公里下量子密鑰率超過每秒57000比特，已可滿足城市間語音通信的實時加密需求。
該研究創造了城際量子密鑰率的新紀錄，使城市之間撥打“量子電話”成為可能。受訪者制圖
更高的密鑰率在現實中意味著什么？北京量子研究院副研究員周來打了一個比方：“過去量子通信的效率，就好比2G時代兩人之間發送的‘電子郵件’或‘手機短信’，有較長的時間延遲。現在每秒鐘可傳輸5000個比特，就好比3G時代通過無線網進行實時溝通的‘語音通話’，延遲大大降低，效率顯著提高。意味著在北京到山東德州的兩人，能夠實時撥打‘量子電話’。”
審稿人表示，該實驗還刷新了雙光子干涉距離紀錄，將“測量設備無關”協議下的最大光纖傳輸距離從404公里提高到508公里。
業內認為這一成果對商用化、高安全性的城際量子通信具有重要價值，對我國構建經濟高效的城際量子安全網絡具有重要意義。
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