世界首次！北京量子院實現(xiàn)615公里開放式架構(gòu)雙場量子密鑰分發(fā)

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北京量子信息科學(xué)研究院袁之良團隊利用光頻梳技術(shù)，首次實現(xiàn)開放式架構(gòu)雙場量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，完成615公里光纖量子密鑰分發(fā)實驗。這一成果有助于光纖量子密鑰分發(fā)距離向千公里級別突破，也有利于未來構(gòu)建多用戶多節(jié)點的城際量子保密網(wǎng)絡(luò)。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》上。

所謂量子通信，是利用量子疊加態(tài)和糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的新型通信方式，其最突出特點是能夠提供無法被竊聽和計算破解的絕對安全性保證。量子通信主要分為量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩種。其中量子隱形傳態(tài)中的關(guān)鍵技術(shù)目前仍有待突破，處于理論研究和實驗探索階段。而量子密鑰分發(fā)基于量子物理的基本原理和一次一密的加密方式，可實現(xiàn)無條件安全通信，是量子保密通信成為未來保障網(wǎng)絡(luò)信息安全的一種非常有潛力的技術(shù)手段，是當(dāng)今量子通信領(lǐng)域理論和應(yīng)用研究的熱點。

2018年英國東芝歐洲研究所提出新型雙場協(xié)議，使得安全成碼率以信道衰減的平方根線性下降，在無中繼的情況下可突破碼率界限，是實現(xiàn)500公里以上光纖量子通信的可行方案。目前國內(nèi)外多個科研團隊已經(jīng)實現(xiàn)了500公里以上的量子密鑰分發(fā)，但如此長距離傳輸容易出現(xiàn)誤差，因此需要在兩地再連通一條服務(wù)光纖，以保證兩處激光源同頻，這便形成了閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

雙場協(xié)議的實現(xiàn)需要兩個異地的獨立激光源在第三方遠(yuǎn)程節(jié)點處實現(xiàn)穩(wěn)定的單光子干涉，但通信雙方激光源的微小頻差與長距離光纖造成的快速相位漂移都對干涉有重要影響。目前，傳統(tǒng)的方案是在遙遠(yuǎn)兩地間架設(shè)服務(wù)光纖作為傳輸媒介，然后通過時頻傳輸或者光學(xué)鎖相環(huán)等技術(shù)，完成兩地激光源的頻率鎖定，這種閉合光纖架構(gòu)非常不利于多節(jié)點的廣域量子保密網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

袁之良團隊基于自主開發(fā)的相干邊帶穩(wěn)相與異地激光源頻率校準(zhǔn)技術(shù)，研制出首個開放式架構(gòu)、無需服務(wù)光纖的新型雙場量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，實現(xiàn)了低損耗光纖四百公里級、五百公里級、六百公里級的安全成碼，并且打破無中繼量子密鑰分發(fā)的碼率界限，還成功演示了臂長差為百公里的量子密鑰分發(fā)實驗，是目前最長臂長差記錄。相較之前的實驗成果，量子信號光的相位漂移速率降低1000多倍，大大降低相位參考光的噪聲影響，有助于光纖量子密鑰分發(fā)距離向千公里級別突破?；诠忸l梳的開放式架構(gòu)有利于未來構(gòu)建多用戶多節(jié)點的城際量子保密網(wǎng)絡(luò)，并對基于單光子干涉的分布式量子網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。

北京量子信息科學(xué)研究院成立于2017年底，是北京市政府聯(lián)合中國科學(xué)院、北京大學(xué)、清華大學(xué)等單位共同建設(shè)的新型研發(fā)機構(gòu)，特點是不設(shè)行政級別，實行理事會領(lǐng)導(dǎo)下的院長負(fù)責(zé)制。 近年來，北京市聚焦重大基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究、關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)突破，相繼布局了一批新型研發(fā)機構(gòu)，開始了建設(shè)世界一流新型研發(fā)機構(gòu)的“北京實踐”。市科委、中關(guān)村管委會也陸續(xù)推出適應(yīng)科研規(guī)律的改革舉措，各新型研發(fā)機構(gòu)相繼產(chǎn)出一批重要成果。

文/北京青年報記者 雷嘉

編輯/張鵬

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