我國(guó)科學(xué)家首創(chuàng)開(kāi)放式新架構(gòu)實(shí)現(xiàn)615公里光纖量子通信

北京量子信息科學(xué)研究院袁之良團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)量子密鑰分發(fā)開(kāi)放式新架構(gòu)，采用光頻梳技術(shù)，成功實(shí)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(shí)，能大幅降低系統(tǒng)建設(shè)成本，為我國(guó)建設(shè)多節(jié)點(diǎn)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(guó)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(cè)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(chǎng)”是目前所有量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，最適合遠(yuǎn)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(chǎng)架構(gòu)下量子通信，需要相距遙遠(yuǎn)的兩個(gè)獨(dú)立激光源各自發(fā)出“信號(hào)”。如果激光源發(fā)射的“信號(hào)”頻率不同，就會(huì)出現(xiàn)傳輸中的“信號(hào)”失誤。想要避免“信號(hào)”失誤，就需要一個(gè)能實(shí)現(xiàn)兩端“信號(hào)”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(guó)科學(xué)家袁之良團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的開(kāi)放式架構(gòu)，能夠在確保量子通信安全性的同時(shí)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(zhǎng)度的光纖，成本高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)起來(lái)貴且困難，不利于未來(lái)多節(jié)點(diǎn)廣域量子保密網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)?！痹颊f(shuō)。

此次我國(guó)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(tuán)隊(duì)成員周來(lái)打了一個(gè)比方：“如果想要在北京、青島兩地之間進(jìn)行‘量子通話’，過(guò)去需在遙遠(yuǎn)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?！?/p>

圖為北京量子信息科學(xué)研究院量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)首次將光頻梳技術(shù)應(yīng)用于雙場(chǎng)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(gè)‘梳子齒’一樣分隔開(kāi)來(lái)、不同頻率的多束光。借助這把神奇的‘梳子’，無(wú)需架設(shè)服務(wù)光纖，即可實(shí)現(xiàn)通信兩端‘信號(hào)’的頻率校準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)量子信息的準(zhǔn)確傳輸。”周來(lái)說(shuō)。

此外，在實(shí)際的超長(zhǎng)距離量子通信中，光纖不免會(huì)發(fā)生快速抖動(dòng)，也會(huì)影響傳輸“信號(hào)”的準(zhǔn)確。光頻梳技術(shù)還可同步解決光纖抖動(dòng)的問(wèn)題，大大降低噪聲對(duì)量子信號(hào)的影響，確保光纖量子信息長(zhǎng)距離傳輸?shù)木珳?zhǔn)。

“作為世界上首個(gè)開(kāi)放式架構(gòu)的雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)615公里的光纖量子通信，在量子通信的實(shí)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(xué)家王雙8日接受記者采訪時(shí)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(jí)別突破，為未來(lái)我國(guó)建設(shè)多節(jié)點(diǎn)廣域量子網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。（記者張漫子）