北京量子院世界首創(chuàng)量子密鑰分發(fā)新架構(gòu)
利用光頻梳技術(shù),北京量子信息科學(xué)研究院首席科學(xué)家袁之良團隊在世界上首次實現(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,相當(dāng)于可在北京與青島之間搭起一座密鑰分發(fā)“安全橋”。新型開放式架構(gòu)設(shè)計更加簡潔,能極大節(jié)約系統(tǒng)建設(shè)成本,助力未來實現(xiàn)在城市間撥打“量子語音電話”。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然-通訊》。
在袁之良組建的實驗室一角,一組組光纖整齊地排列著,連接成一條總長度超過600公里的“跑道”。攜帶著量子密鑰信息的光,就在這條芯徑僅10微米的“跑道”上飛奔。
安全是量子通信最大的特點,任何試圖截獲、測量的“竊聽”行為,都會經(jīng)由誤碼率如實反映出來。量子密鑰分發(fā)是量子通信的主要方式之一,它利用量子的不可測量性和不可克隆性,借助“一次一密”的加密方式,為量子通信提供了一把牢靠的“安全鎖”。雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議是現(xiàn)有架構(gòu)中,最有利于量子信息遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊环N,兩個異地的獨立激光源分別發(fā)出量子比特,位于中點的探測器則擔(dān)任“裁判員”,甄別兩端信息是否匹配,據(jù)此生成密鑰。
借助這一理論,已有多支國內(nèi)外量子科研團隊實現(xiàn)了500公里以上的量子密鑰分發(fā)。但通信雙方相隔如此之遠(yuǎn),而光的振蕩頻率最高可達(dá)每秒100萬億次,即使兩地激光源的頻率在發(fā)出時僅“差之毫厘”,經(jīng)過長距離傳輸也會“謬以千里”,因此需要在兩地連通第二條“光路”——服務(wù)光纖,保證兩處激光源同頻,這便形成了閉環(huán)結(jié)構(gòu)。
“這個架構(gòu)要搭建雙倍長度的光纖,不論是從成本還是系統(tǒng)運行維護的角度,都存在諸多不便,不利于未來多節(jié)點廣域量子保密網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)?!庇谑?,袁之良團隊設(shè)計了一個新架構(gòu),無需架設(shè)服務(wù)光纖,通過電光調(diào)制器產(chǎn)生的相干光頻梳來糾正頻率異常的量子光?!斑@個小東西尺寸只有5到10厘米,作用卻與原本數(shù)百公里長的光纖相當(dāng)。有了它,量子密鑰分發(fā)只需搭建一條‘路’,所以稱其為開放式架構(gòu)雙場量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。”
利用新架構(gòu),袁之良團隊成功完成世界首個開放式架構(gòu)雙場量子密鑰分發(fā)實驗,分發(fā)距離達(dá)615公里。相干光頻梳技術(shù)的引入,還讓量子信號光的相位漂移速率降低了1000多倍,讓系統(tǒng)能更好地識別信號,有助于光纖量子密鑰分發(fā)距離向千公里級別突破。
“實地光纖是整套系統(tǒng)中最昂貴的部分,新架構(gòu)更簡潔、更經(jīng)濟,能極大地降低量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的建設(shè)成本,有利于未來構(gòu)建多用戶、多節(jié)點的城際量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。”實驗成功只是第一步,近期,袁之良團隊計劃開展場地實驗,利用傳統(tǒng)的光纖干線網(wǎng)絡(luò)傳輸量子信息。未來,基于此架構(gòu)開展的量子通信“網(wǎng)速”不會慢,將能承載兆比特每秒以上的傳輸需求,有望實現(xiàn)城域網(wǎng)的“量子視頻會議”與城際網(wǎng)的“量子語音電話”。
為便于推廣應(yīng)用,相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備還將“瘦身”?!艾F(xiàn)在設(shè)備體積還比較龐大,我們正在開發(fā)相應(yīng)的光子芯片,目前已經(jīng)取得了一定的進展。如果研發(fā)成功,原本分屬十多個光纖器件的功能就將集成在一塊1厘米見方的芯片上,集成為可隨身攜帶的‘筆記本電腦’。”袁之良說。
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