实现615公里双场量子密钥分发，我国科学家首创开放式新架构

EDN小编从北京量子信息科学研究院官方公众号获悉，近日，该院袁之良团队首创量子密钥分发开放式新架构，采用光频梳技术，成功实现615公里光纤量子通信。该架构在确保量子通信安全性的同时，能大幅降低系统建设成本，为我国建设多节点广域量子网络奠定基础。相关成果日前发表于国际学术期刊《自然-通讯》。Looednc

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文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36573-2Looednc

量子密钥分发基于量子的不可测量性、不可克隆性和一次一密的加密方式，为量子通信上了一把“安全锁”，可实现无条件安全通信。2018 年英国东芝欧洲研究所提出新型双场协议，使得安全成码率以信道衰减的平方根线性下降，在无中继的情况下可突破码率界限，是实现 500 公里以上光纤量子通信的可行方案，故“双场”是目前所有量子密钥分发协议中，最适合远距离传输的一种。Looednc

双场协议的实现需要两个异地的独立激光源在第三方远程节点处实现稳定的单光子干涉，但通信双方激光源的微小频差与长距离光纤造成的快速相位漂移都对干涉有重要影响。目前，传统的方案是在遥远两地间架设服务光纤作为传输媒介，然后通过时频传输或者光学锁相环等技术，完成两地激光源的频率锁定，这种闭合光纤架构(图a)非常不利于多节点的广域量子保密网络应用。Looednc

据北京量子信息科学研究院首席科学家袁之良介绍，双场架构下量子通信，需要相距遥远的两个独立激光源各自发出“信号”。如果激光源发射的“信号”频率不同，就会出现传输中的“信号”失误。想要避免“信号”失误，就需要一个能实现两端“信号”频率相同的“工具”：服务光纤。这意味着通信两端之间还需额外架设“一条路”，这也就构成了由“两条路”构成的传统架构。而传统架构，意味着搭建双倍长度的光纤，成本高且结构复杂，系统运行维护起来贵且困难，不利于未来多节点广域量子保密网络的建设。Looednc

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(a)传统闭合光纤架构；(b)北京量子院研发的开放式架构Looednc

袁之良团队则首次将光频梳技术应用于双场量子密钥分发，基于自主开发的相干边带稳相与异地激光源频率校准技术，研制出首个开放式架构、无需服务光纤的新型双场量子密钥分发系统(图b)，实现了低损耗光纤四百公里级、五百公里级、六百公里级的安全成码，并且打破无中继量子密钥分发的码率界限，还成功演示了臂长差为百公里的量子密钥分发实验(目前最长臂长差记录)。Looednc

相较之前的实验成果，量子信号光的相位漂移速率降低 1000 多倍，大大降低相位参考光的噪声影响，有助于光纤量子密钥分发距离向千公里级别突破。基于光频梳的开放式架构有利于未来构建多用户多节点的城际量子保密网络，并对基于单光子干涉的分布式量子网络具有重要意义。Looednc