我國科學(xué)家首創(chuàng)開放式新架構(gòu)實現(xiàn)615公里光纖量子通信

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北京量子信息科學(xué)研究院袁之良團隊首創(chuàng)量子密鑰分發(fā)開放式新架構(gòu)，采用光頻梳技術(shù)，成功實現(xiàn)615公里光纖量子通信。該架構(gòu)在確保量子通信安全性的同時，能大幅降低系統(tǒng)建設(shè)成本，為我國建設(shè)多節(jié)點廣域量子網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。相關(guān)成果日前發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》。

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(fā)基于量子的不可測量性、不可克隆性，借助“一次一密”的加密方式，為量子通信上了一把“安全鎖”。“雙場”是目前所有量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，最適合遠距離傳輸?shù)囊环N。

北京量子信息科學(xué)研究院首席科學(xué)家袁之良介紹，雙場架構(gòu)下量子通信，需要相距遙遠的兩個獨立激光源各自發(fā)出“信號”。如果激光源發(fā)射的“信號”頻率不同，就會出現(xiàn)傳輸中的“信號”失誤。想要避免“信號”失誤，就需要一個能實現(xiàn)兩端“信號”頻率相同的“工具”：服務(wù)光纖。這意味著通信兩端之間還需額外架設(shè)“一條路”，這也就構(gòu)成了由“兩條路”構(gòu)成的傳統(tǒng)架構(gòu)。

圖a為傳統(tǒng)閉合光纖架構(gòu)。圖b為中國科學(xué)家袁之良團隊首創(chuàng)的開放式架構(gòu)，能夠在確保量子通信安全性的同時降低系統(tǒng)建設(shè)成本。（受訪者制圖）

“傳統(tǒng)架構(gòu)，意味著搭建雙倍長度的光纖，成本高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)運行維護起來貴且困難，不利于未來多節(jié)點廣域量子保密網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。”袁之良說。

此次我國科學(xué)家首創(chuàng)的新架構(gòu)新在何處？北京量子信息科學(xué)研究院光量子通信與器件團隊成員周來打了一個比方：“如果想要在北京、青島兩地之間進行‘量子通話’，過去需在遙遠的通信兩端之間連通‘兩條路’。新架構(gòu)出現(xiàn)后‘一條路’就已足夠。”

圖為北京量子信息科學(xué)研究院量子密鑰分發(fā)實驗室。新華社記者張漫子攝

為“節(jié)省”下服務(wù)光纖但保留其發(fā)揮的作用，袁之良團隊首次將光頻梳技術(shù)應(yīng)用于雙場量子密鑰分發(fā)。“光頻梳技術(shù)，就好比把一束單頻率的光，變成像多個‘梳子齒’一樣分隔開來、不同頻率的多束光。借助這把神奇的‘梳子’，無需架設(shè)服務(wù)光纖，即可實現(xiàn)通信兩端‘信號’的頻率校準(zhǔn)，從而實現(xiàn)量子信息的準(zhǔn)確傳輸。”周來說。

此外，在實際的超長距離量子通信中，光纖不免會發(fā)生快速抖動，也會影響傳輸“信號”的準(zhǔn)確。光頻梳技術(shù)還可同步解決光纖抖動的問題，大大降低噪聲對量子信號的影響，確保光纖量子信息長距離傳輸?shù)木珳?zhǔn)。

“作為世界上首個開放式架構(gòu)的雙場量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，成功實現(xiàn)615公里的光纖量子通信，在量子通信的實現(xiàn)方案方面有了創(chuàng)新突破。”《自然-通訊》審稿人之一、量子通信科學(xué)家王雙8日接受記者采訪時表示，這一新架構(gòu)有助于光纖量子密鑰分發(fā)距離向千公里級別突破，為未來我國建設(shè)多節(jié)點廣域量子網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。

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