突破600公里！科学家创造光纤量子通信新纪录，城市间长距传输更便捷

东芝欧洲的剑桥研究实验室日前宣布，首次在长度超过600公里的光纤上进行量子通信的演示。

基于这一突破，在大城市地区之间实现长距离、量子安全的信息传输将成为可能，它还将成为未来量子互联网建设的重大进展。

“量子互联网”（quantum internet）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。

而构建“量子互联网”最困难的技术挑战之一，是如何通过长距离光纤进行量子比特的高效传输：以往，环境条件的微小变化，比如温度波动，都容易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”（dual band）稳定技术，演示了记录量子通信距离的方法。它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)，它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)。

以往，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QKD，并首次演示了超过600km的QKD。

在这种技术支持下，研究人员开发的新装置可令量子通信距离超555公里，在有限域和渐近域中的密钥分配距离超过605公里。

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。

这一进展的细节最新发表在科学杂志《自然·光子学》（Nature Photonics）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。

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料：https://phys.org/news/2021-06-quantum-optical-fibers-exceeding-km.html

http://dx.doi.org/10.1038/s41566-021-00811-0

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