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(shí)現開(kāi)放式架構雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)系統，完成615公里光纖量子密鑰分發(fā)實(shí)驗，相當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(kāi)放式架構設計更加簡(jiǎn)潔，能極大節約系統建設成本，助力未來(lái)實(shí)現在城市間撥打“量子語(yǔ)音電話(huà)”。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(shí)驗室一角，一組組光纖整齊地排列著(zhù)，連接成一條總長(cháng)度超過(guò)600公里的“跑道”。攜帶著(zhù)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(diǎn)，任何試圖截獲、測量的“竊聽(tīng)”行為，都會(huì )經(jīng)由誤碼率如實(shí)反映出來(lái)。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(chǎng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議是現有架構中，最有利于量子信息遠距離傳輸的一種，兩個(gè)異地的獨立激光源分別發(fā)出量子比特，位于中點(diǎn)的探測器則擔任“裁判員”，甄別兩端信息是否匹配，據此生成密鑰。

　　借助這一理論，已有多支國內外量子科研團隊實(shí)現了500公里以上的量子密鑰分發(fā)。但通信雙方相隔如此之遠，而光的振蕩頻率最高可達每秒100萬(wàn)億次，即使兩地激光源的頻率在發(fā)出時(shí)僅“差之毫厘”，經(jīng)過(guò)長(cháng)距離傳輸也會(huì )“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)結構。

　　“這個(gè)架構要搭建雙倍長(cháng)度的光纖，不論是從成本還是系統運行維護的角度，都存在諸多不便，不利于未來(lái)多節點(diǎn)廣域量子保密網(wǎng)絡(luò )的建設。”于是，袁之良團隊設計了一個(gè)新架構，無(wú)需架設服務(wù)光纖，通過(guò)電光調制器產(chǎn)生的相干光頻梳來(lái)糾正頻率異常的量子光。“這個(gè)小東西尺寸只有5到10厘米，作用卻與原本數百公里長(cháng)的光纖相當。有了它，量子密鑰分發(fā)只需搭建一條‘路’，所以稱(chēng)其為開(kāi)放式架構雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)系統。”

　　利用新架構，袁之良團隊成功完成世界首個(gè)開(kāi)放式架構雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗，分發(fā)距離達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(shí)地光纖是整套系統中最昂貴的部分，新架構更簡(jiǎn)潔、更經(jīng)濟，能極大地降低量子密鑰分發(fā)系統的建設成本，有利于未來(lái)構建多用戶(hù)、多節點(diǎn)的城際量子保密通信網(wǎng)絡(luò )。”實(shí)驗成功只是第一步，近期，袁之良團隊計劃開(kāi)展場(chǎng)地實(shí)驗，利用傳統的光纖干線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸量子信息。未來(lái)，基于此架構開(kāi)展的量子通信“網(wǎng)速”不會(huì )慢，將能承載兆比特每秒以上的傳輸需求，有望實(shí)現城域網(wǎng)的“量子視頻會(huì )議”與城際網(wǎng)的“量子語(yǔ)音電話(huà)”。

　　為便于推廣應用，相關(guān)系統設備還將“瘦身”。“現在設備體積還比較龐大，我們正在開(kāi)發(fā)相應的光子芯片，目前已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。如果研發(fā)成功，原本分屬十多個(gè)光纖器件的功能就將集成在一塊1厘米見(jiàn)方的芯片上，集成為可隨身攜帶的‘筆記本電腦’。”袁之良說(shuō)。