100公里！北京科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造量子直接通信距離世界新紀(jì)錄

  日前，北京量子信息科學(xué)研究院、清華大學(xué)龍桂魯教授團(tuán)隊(duì)和陸建華教授團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種相位量子態(tài)與時(shí)間戳量子態(tài)混合編碼的量子直接通信新系統(tǒng)，通信距離達(dá)到100公里，是當(dāng)前世界最長的量子直接通信距離。

  這樣的指標(biāo)可以在無中繼條件下實(shí)現(xiàn)城市之間的點(diǎn)對點(diǎn)量子直接通信，同時(shí)可以支撐基于安全經(jīng)典中繼的廣域量子網(wǎng)絡(luò)一些應(yīng)用。這一成果為實(shí)現(xiàn)《北京市“十四五”時(shí)期國際科技創(chuàng)新中心建設(shè)規(guī)劃》中，建設(shè)基于安全中繼的城際量子示范網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2022年4月6日，該成果在線發(fā)表在Light：Science & Applications光學(xué)學(xué)術(shù)期刊上。

  2000年，龍桂魯教授和博士生劉曉曙提出了量子直接通信的第一個(gè)協(xié)議。量子直接通信將噪聲信道下的可靠通信發(fā)展為噪聲和竊聽信道下的可靠和安全通信。2016年，山西大學(xué)和清華大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)完成了量子直接通信的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)演示。2017年，中國科技大學(xué)、南京郵電大學(xué)和清華大學(xué)的相關(guān)團(tuán)隊(duì)分別完成了基于糾纏的量子直接通信演示實(shí)驗(yàn)。2019年，龍桂魯教授團(tuán)隊(duì)和陸建華教授團(tuán)隊(duì)合作，成功研制了國際上第一個(gè)量子直接通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了1.5km光纖距離下50bps的安全通信速率。2020年他們在中關(guān)村論壇發(fā)布了世界首款實(shí)用化量子直接通信樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了10公里光纖中4kbps的傳輸速率;同年他們將通信距離進(jìn)一步提升到了18km。2021年，上海交通大學(xué)和江西師范大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了15個(gè)用戶的點(diǎn)到點(diǎn)量子直接通信網(wǎng)絡(luò)。

量子直接通信系統(tǒng)示意圖

  在以前系統(tǒng)中，抽樣檢測和信息傳輸全部采用相位量子態(tài)。新系統(tǒng)采用了相位量子態(tài)和時(shí)間戳量子態(tài)的混合編碼，時(shí)間戳量子態(tài)用于抽樣檢測，大大降低了噪聲影響。而通信依然采用具有自補(bǔ)償性能的相位量子態(tài)。因而新系統(tǒng)具有高度的穩(wěn)定性和極低的本征誤碼率(沒有竊聽時(shí)的誤碼率)，結(jié)合具有更強(qiáng)糾錯(cuò)能力的極低碼率LDBCH編碼，有效提高了安全通信容量、距離和速率。

  新系統(tǒng)在50MHz激光脈沖頻率下將最大可容忍損耗從5.1dB提升到18.4dB，在商用低損耗單模光纖中的最遠(yuǎn)通信距離達(dá)到了100公里，突破了之前18公里的最長距離。新系統(tǒng)的通信速率也得到了提高，在30公里的光纖距離，通信速率達(dá)到22.4 kbps。新系統(tǒng)在激光脈沖頻率上還有大的提升空間，相應(yīng)的通信距離、速率有望進(jìn)一步提升，滿足部分場景的應(yīng)用需求。

  本項(xiàng)研究成果表明，使用現(xiàn)有的成熟技術(shù)手段，城市間的點(diǎn)對點(diǎn)量子直接通信可行。另一方面，利用最近清華大學(xué)、北京量子信息科學(xué)研究院、南方郵電大學(xué)、南方科技大學(xué)以及英國南安普頓大學(xué)等單位學(xué)者共同提出的安全經(jīng)典中繼量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以建設(shè)安全中繼量子網(wǎng)絡(luò)，支撐多種應(yīng)用。