北京日報客戶端 | 記者 劉蘇雅
利用光頻梳技術，北京量子信息科學研究院首席科學家袁之良團隊在世界上首次實現開放式架構雙場量子密鑰分發系統，完成615公里光纖量子密鑰分發實驗，相當於可在北京與青島之間搭起一座密鑰分發「安全橋」。新型開放式架構設計更加簡潔，能極大節約系統建設成本，助力未來實現在城市間撥打「量子語音電話」。相關研究成果近日發表於《自然-通訊》。
a）傳統閉合光纖架構；b）北京量子院研發的開放式架構
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，都會經由誤碼率如實反映出來。量子密鑰分發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，藉助「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」。雙場量子密鑰分發協議是現有架構中，最有利於量子信息遠距離傳輸的一種，兩個異地的獨立雷射源分別發出量子比特，位於中點的探測器則擔任「裁判員」，甄別兩端信息是否匹配，據此生成密鑰。
袁之良（左二）與團隊成員開展實驗
藉助這一理論，已有多支國內外量子科研團隊實現了500公里以上的量子密鑰分發。但通信雙方相隔如此之遠，而光的振盪頻率最高可達每秒100萬億次，即使兩地雷射源的頻率在發出時僅「差之毫厘」，經過長距離傳輸也會「謬以千里」，因此需要在兩地連通第二條「光路」——服務光纖，保證兩處雷射源同頻，這便形成了閉環結構。
「這個架構要搭建雙倍長度的光纖，不論是從成本還是系統運行維護的角度，都存在諸多不便，不利於未來多節點廣域量子保密網絡的建設。」於是，袁之良團隊設計了一個新架構，無需架設服務光纖，通過電光調製器產生的相干光頻梳來糾正頻率異常的量子光。「這個小東西尺寸只有5到10厘米，作用卻與原本數百公里長的光纖相當。有了它，量子密鑰分發只需搭建一條『路』，所以稱其為開放式架構雙場量子密鑰分發系統。」
利用新架構，袁之良團隊成功完成世界首個開放式架構雙場量子密鑰分發實驗，分發距離達615公里。相干光頻梳技術的引入，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，有助於光纖量子密鑰分發距離向千公里級別突破。
「實地光纖是整套系統中最昂貴的部分，新架構更簡潔、更經濟，能極大地降低量子密鑰分發系統的建設成本，有利於未來構建多用戶、多節點的城際量子保密通信網絡。」實驗成功只是第一步，近期，袁之良團隊計劃開展場地實驗，利用傳統的光纖幹線網絡傳輸量子信息。未來，基於此架構開展的量子通信「網速」不會慢，將能承載兆比特每秒以上的傳輸需求，有望實現城域網的「量子視頻會議」與城際網的「量子語音電話」。
為便於推廣應用，相關系統設備還將「瘦身」。「現在設備體積還比較龐大，我們正在開發相應的光子晶片，目前已經取得了一定的進展。如果研發成功，原本分屬十多個光纖器件的功能就將集成在一塊1厘米見方的晶片上，集成為可隨身攜帶的『筆記本電腦』。」袁之良說。