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(kāi)放式新架構，采用光頻梳技術(shù)，成功實(shí)現615公里光纖量子通信。該架構在確保量子通信安全性的同時(shí)，能大幅降低系統建設成本，為我國建設多節點(diǎn)廣域量子網(wǎng)絡(luò )奠定基礎。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”?！半p場(chǎng)”是目前所有量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，最適合遠距離傳輸的一種。
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)架構下量子通信，需要相距遙遠的兩個(gè)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(huì )出現傳輸中的“信號”失誤。想要避免“信號”失誤，就需要一個(gè)能實(shí)現兩端“信號”頻率相同的“工具”：服務(wù)光纖。這意味著(zhù)通信兩端之間還需額外架設“一條路”，這也就構成了由“兩條路”構成的傳統架構。
圖a為傳統閉合光纖架構。圖b為中國科學(xué)家袁之良團隊首創(chuàng )的開(kāi)放式架構，能夠在確保量子通信安全性的同時(shí)降低系統建設成本。（受訪(fǎng)者制圖）
“傳統架構，意味著(zhù)搭建雙倍長(cháng)度的光纖，成本高且結構復雜，系統運行維護起來(lái)貴且困難，不利于未來(lái)多節點(diǎn)廣域量子保密網(wǎng)絡(luò )的建設?！痹颊f(shuō)。
此次我國科學(xué)家首創(chuàng )的新架構新在何處？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(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(huà)’，過(guò)去需在遙遠的通信兩端之間連通‘兩條路’。新架構出現后‘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)驗室。新華社記者張漫子攝
為“節省”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)需架設服務(wù)光纖，即可實(shí)現通信兩端‘信號’的頻率校準，從而實(shí)現量子信息的準確傳輸?！敝軄?lái)說(shuō)。
此外，在實(shí)際的超長(cháng)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”的準確。光頻梳技術(shù)還可同步解決光纖抖動(dòng)的問(wèn)題，大大降低噪聲對量子信號的影響，確保光纖量子信息長(cháng)距離傳輸的精準。
“作為世界上首個(gè)開(kāi)放式架構的雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)系統，成功實(shí)現615公里的光纖量子通信，在量子通信的實(shí)現方案方面有了創(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(fǎng)時(shí)表示，這一新架構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(lái)我國建設多節點(diǎn)廣域量子網(wǎng)絡(luò )奠定基礎。