北京量子院世界首創(chuàng)量子密鑰分發(fā)新架構(gòu) 實(shí)現(xiàn)615公里光纖量子密鑰分發(fā)

  ICC訊 利用光頻梳技術(shù)，北京量子信息科學(xué)研究院首席科學(xué)家袁之良團(tuán)隊(duì)在世界上首次實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式架構(gòu)雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，完成615公里光纖量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，相當(dāng)于可在北京與青島之間搭起一座密鑰分發(fā)“安全橋”。新型開(kāi)放式架構(gòu)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔，能極大節(jié)約系統(tǒng)建設(shè)成本，助力未來(lái)實(shí)現(xiàn)在城市間撥打“量子語(yǔ)音電話”。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然-通訊》。

  在袁之良組建的實(shí)驗(yàn)室一角，一組組光纖整齊地排列著，連接成一條總長(zhǎng)度超過(guò)600公里的“跑道”。攜帶著量子密鑰信息的光，就在這條芯徑僅10微米的“跑道”上飛奔。

  安全是量子通信最大的特點(diǎn)，任何試圖截獲、測(cè)量的“竊聽(tīng)”行為，都會(huì)經(jīng)由誤碼率如實(shí)反映出來(lái)。量子密鑰分發(fā)是量子通信的主要方式之一，它利用量子的不可測(cè)量性和不可克隆性，借助“一次一密”的加密方式，為量子通信提供了一把牢靠的“安全鎖”。雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議是現(xiàn)有架構(gòu)中，最有利于量子信息遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊环N，兩個(gè)異地的獨(dú)立激光源分別發(fā)出量子比特，位于中點(diǎn)的探測(cè)器則擔(dān)任“裁判員”，甄別兩端信息是否匹配，據(jù)此生成密鑰。

  借助這一理論，已有多支國(guó)內(nèi)外量子科研團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了500公里以上的量子密鑰分發(fā)。但通信雙方相隔如此之遠(yuǎn)，而光的振蕩頻率最高可達(dá)每秒100萬(wàn)億次，即使兩地激光源的頻率在發(fā)出時(shí)僅“差之毫厘”，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸也會(huì)“謬以千里”，因此需要在兩地連通第二條“光路”——服務(wù)光纖，保證兩處激光源同頻，這便形成了閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

  “這個(gè)架構(gòu)要搭建雙倍長(zhǎng)度的光纖，不論是從成本還是系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的角度，都存在諸多不便，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)。”于是，袁之良團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)新架構(gòu)，無(wú)需架設(shè)服務(wù)光纖，通過(guò)電光調(diào)制器產(chǎn)生的相干光頻梳來(lái)糾正頻率異常的量子光。“這個(gè)小東西尺寸只有5到10厘米，作用卻與原本數(shù)百公里長(zhǎng)的光纖相當(dāng)。有了它，量子密鑰分發(fā)只需搭建一條‘路’，所以稱(chēng)其為開(kāi)放式架構(gòu)雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)?！?

  利用新架構(gòu)，袁之良團(tuán)隊(duì)成功完成世界首個(gè)開(kāi)放式架構(gòu)雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，分發(fā)距離達(dá)615公里。相干光頻梳技術(shù)的引入，還讓量子信號(hào)光的相位漂移速率降低了1000多倍，讓系統(tǒng)能更好地識(shí)別信號(hào)，有助于光纖量子密鑰分發(fā)距離向千公里級(jí)別突破。

  “實(shí)地光纖是整套系統(tǒng)中最昂貴的部分，新架構(gòu)更簡(jiǎn)潔、更經(jīng)濟(jì)，能極大地降低量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的建設(shè)成本，有利于未來(lái)構(gòu)建多用戶(hù)、多節(jié)點(diǎn)的城際量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。”實(shí)驗(yàn)成功只是第一步，近期，袁之良團(tuán)隊(duì)計(jì)劃開(kāi)展場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)，利用傳統(tǒng)的光纖干線網(wǎng)絡(luò)傳輸量子信息。未來(lái)，基于此架構(gòu)開(kāi)展的量子通信“網(wǎng)速”不會(huì)慢，將能承載兆比特每秒以上的傳輸需求，有望實(shí)現(xiàn)城域網(wǎng)的“量子視頻會(huì)議”與城際網(wǎng)的“量子語(yǔ)音電話”。

  為便于推廣應(yīng)用，相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備還將“瘦身”。“現(xiàn)在設(shè)備體積還比較龐大，我們正在開(kāi)發(fā)相應(yīng)的光子芯片，目前已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。如果研發(fā)成功，原本分屬十多個(gè)光纖器件的功能就將集成在一塊1厘米見(jiàn)方的芯片上，集成為可隨身攜帶的‘筆記本電腦’?！痹颊f(shuō)。