示范使用超过600公里的光纤进行量子通信

演示。来源:东芝公司

东芝欧洲的剑桥研究实验室今天宣布，首次在长度超过600公里的光纤上进行量子通信的演示。这一突破将使在大都市地区之间实现长距离、量子安全的信息传输成为可能，也是未来量子互联网建设的重大进展。

量子互联网这个术语描述的是一个由远程量子通信链路连接起来的量子计算机的全球网络。它有望在云计算中实现对复杂优化问题的超快速解决、更精确的全球定时系统以及全球范围内高度安全的通信。例如，美国、欧盟和中国已经宣布了几项建立量子互联网的大型政府计划。

构建量子互联网最困难的技术挑战之一，是如何通过长光纤传输量子比特的问题。环境条件的微小变化，比如温度波动，会导致光纤的膨胀和收缩，从而打乱脆弱的量子位元，这些量子位元被编码为光纤中微弱光脉冲的相位延迟。

现在，东芝通过引入一种新的“双频带”稳定技术，演示了记录量子通信距离的方法。这发送两个不同波长的光参考信号，以最小化长光纤上的相位波动。第一波长用于抵消快速变化的波动，而与光学量子位相同波长的第二波长用于相位的精细调整。在运用这些新技术后，东芝公司发现，即使通过长达100公里的光纤传输，也可以将量子信号的光学相位保持在一个波长的几分之一以内，精度为10纳米。如果不能实时消除这些波动，光纤就会随着温度的变化而膨胀或收缩，扰乱量子信息。

双频稳定的第一个应用将是长距离量子密钥分配(QKD)。商用QKD系统只能使用大约100-200公里的光纤。2018年，东芝提出了双场QKD协议作为一种延长距离的方式，并使用短光纤和衰减器测试了其对光损耗的弹性。通过引入双频带稳定技术，东芝现在在长光纤上实现了双场量子kd，并首次演示了超过600km的量子kd。

“这是一个非常令人兴奋的结果，”描述该结果的文章的第一作者Mirko Pittaluga评论道。“随着我们开发的新技术，进一步扩展量子密钥分配的通信距离仍然是可能的，我们的解决方案也可以应用于其他量子通信协议和应用。”

图为东芝欧洲剑桥研究实验室研究员。来源:东芝公司

东芝欧洲量子技术部门主管安德鲁•希尔兹(Andrew Shields)表示:“近年来，量子密钥分配被用来保护城域网的安全。这一最新进展扩展了量子链路的最大跨度，因此无需使用可信的中间节点，就可以将国家和大洲的城市连接起来。与卫星QKD一起实施，它将允许我们建立一个全球量子安全通信网络。”

东芝公司高级副总裁兼首席数字官岛田太郎表示:“随着量子技术的成功，东芝愿意进一步快速扩展其量子业务。我们的愿景是建立一个量子信息技术服务平台，这不仅将使全球范围内的安全通信成为可能，还将使基于云的量子计算和分布式量子传感等转型技术成为可能。”

这一进展的细节今天发表在科学杂志《自然光子学》上。这项工作通过H2020项目OpenQKD得到了欧盟的部分资助。团队现在正在设计建议的解决方案，以简化它们未来的采用和部署。

在这一最新进展之前，英国电信(BT)和东芝(Toshiba)去年宣布已安装英国首个工业量子安全网络。在国家复合材料中心(NCC)和建模与仿真中心(CFMS)之间传输数据，东芝的多路复用兼容性允许数据和量子密钥在同一光纤上传输，消除了昂贵的密钥分发专用基础设施的需要。利用现有基础设施实现的多路量子密钥分配用于更短的距离，以及双场量子密钥分配用于更长的距离，为商业上可行的全球量子安全网络铺平了道路。

QKD允许用户通过不受信任的通信渠道(如互联网)安全地交换机密信息(如银行对账单、健康记录、私人电话)。它通过向目标用户分发一个通用密钥来实现这一点，该密钥可用于加密并保护通过通信通道交换的信息。密钥的安全性依赖于单个量子系统(光子，光的粒子)的基本属性，这些量子系统被编码并传输以生成密钥。如果这些光子被非指定的用户拦截，量子物理保证预期用户可以感知到窃听，从而保护通信。

与其他现有的安全解决方案不同，量子密码学的安全性直接来源于我们用来描述我们周围世界的物理定律，因此，它可以抵御未来数学和计算方面的任何进步(包括量子计算机的出现)。因此，QKD有望成为企业和政府保护关键操作通信的重要工具。

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