我國科學(xué)家創(chuàng)造城際量子密鑰率新紀(jì)錄

提高量子密鑰率是量子通信最緊迫的任務(wù)之一。更高的密鑰率可實(shí)現(xiàn)更頻繁的密鑰交換，不僅能為更多網(wǎng)絡(luò)用戶提供服務(wù)，還能顯著提高量子通信效率。我國科學(xué)家將異步匹配技術(shù)與響應(yīng)過濾方法引入量子通信，創(chuàng)造了城際量子密鑰率的新紀(jì)錄——傳輸距離201公里下量子密鑰率超過每秒57000比特、傳輸距離306公里下量子密鑰率超過每秒5000比特。相關(guān)成果20日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報(bào)》。

【資料圖】

安全是量子通信的最大特征。作為量子通信的主要方式之一，量子密鑰分發(fā)相當(dāng)于在通信兩端之間加入一個(gè)“對暗號”的環(huán)節(jié)，雙方通過密碼驗(yàn)證、確保環(huán)境安全后，再進(jìn)行信息傳輸，可實(shí)現(xiàn)原理上無條件安全的保密通信。“對暗號”的速度越快，即密鑰率越高，量子通信效率也就越高。

在目前所有量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，“雙場”是最適合遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊环N，但實(shí)現(xiàn)條件嚴(yán)苛：通信兩端之間需額外架設(shè)一條服務(wù)光纖或加裝一個(gè)光模塊以降低傳輸中的“信號”失誤。“測量設(shè)備無關(guān)”作為另一種協(xié)議，可關(guān)閉量子網(wǎng)絡(luò)中的所有探測端漏洞以防止竊聽，雖架構(gòu)較“雙場”更加簡單，但密鑰生成效率較低，量子通信距離受到限制。這兩種協(xié)議各有利弊。

研究團(tuán)隊(duì)將“異步匹配”技術(shù)應(yīng)用于量子通信，大大提高了密鑰率。受訪者制圖

北京量子信息科學(xué)研究院袁之良團(tuán)隊(duì)與南京大學(xué)物理學(xué)院副教授尹華磊合作，將“異步匹配”技術(shù)應(yīng)用于量子通信，大大提高了密鑰率，且集中了“雙場”協(xié)議與“測量設(shè)備無關(guān)”協(xié)議的優(yōu)勢，以更簡單的量子通信架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了盡可能長的量子通信距離。

這一研究的最大貢獻(xiàn)是創(chuàng)造了城際量子密鑰率的新紀(jì)錄。在相距400公里處的密鑰率較此前提高了6個(gè)數(shù)量級。在傳輸距離306公里的安全密鑰率超過每秒5000比特，傳輸距離201公里下量子密鑰率超過每秒57000比特，已可滿足城市間語音通信的實(shí)時(shí)加密需求。

該研究創(chuàng)造了城際量子密鑰率的新紀(jì)錄，使城市之間撥打“量子電話”成為可能。受訪者制圖

更高的密鑰率在現(xiàn)實(shí)中意味著什么？北京量子研究院副研究員周來打了一個(gè)比方：“過去量子通信的效率，就好比2G時(shí)代兩人之間發(fā)送的‘電子郵件’或‘手機(jī)短信’，有較長的時(shí)間延遲。現(xiàn)在每秒鐘可傳輸5000個(gè)比特，就好比3G時(shí)代通過無線網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)溝通的‘語音通話’，延遲大大降低，效率顯著提高。意味著在北京到山東德州的兩人，能夠?qū)崟r(shí)撥打‘量子電話’。”

審稿人表示，該實(shí)驗(yàn)還刷新了雙光子干涉距離紀(jì)錄，將“測量設(shè)備無關(guān)”協(xié)議下的最大光纖傳輸距離從404公里提高到508公里。

業(yè)內(nèi)認(rèn)為這一成果對商用化、高安全性的城際量子通信具有重要價(jià)值，對我國構(gòu)建經(jīng)濟(jì)高效的城際量子安全網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。

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