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

北京量子信息科學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)建設成本，為我國建設多節(jié)點廣域量子網(wǎng)絡奠定基礎。相關(guān)成果日前發(fā)表于國際學術(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。

北京量子信息科學研究院首席科學家袁之良介紹，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”：服務光纖。這意味著通信兩端之間還需額外架設“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)絡的建設。”袁之良說。

此次我國科學家首創(chuàng)的新架構(gòu)新在何處？北京量子信息科學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)應用于雙場量子密鑰分發(fā)?！肮忸l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’，無需架設服務光纖，即可實現(xiàn)通信兩端‘信號’的頻率校準，從而實現(xiàn)量子信息的準確傳輸。”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)木珳省?/p>

“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?！薄蹲匀?通訊》審稿人之一、量子通信科學家王雙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，為未來我國建設多節(jié)點廣域量子網(wǎng)絡奠定基礎。（記者張漫子）