100公里！北京科研團隊創(chuàng)造量子直接通信距離世界新紀錄

  日前，北京量子信息科學研究院、清華大學龍桂魯教授團隊和陸建華教授團隊合作設計和實現(xiàn)了一種相位量子態(tài)與時間戳量子態(tài)混合編碼的量子直接通信新系統(tǒng)，通信距離達到100公里，是當前世界最長的量子直接通信距離。

  這樣的指標可以在無中繼條件下實現(xiàn)城市之間的點對點量子直接通信，同時可以支撐基于安全經(jīng)典中繼的廣域量子網(wǎng)絡一些應用。這一成果為實現(xiàn)《北京市“十四五”時期國際科技創(chuàng)新中心建設規(guī)劃》中，建設基于安全中繼的城際量子示范網(wǎng)絡的目標打下了堅實的基礎。2022年4月6日，該成果在線發(fā)表在Light：Science & Applications光學學術期刊上。

  2000年，龍桂魯教授和博士生劉曉曙提出了量子直接通信的第一個協(xié)議。量子直接通信將噪聲信道下的可靠通信發(fā)展為噪聲和竊聽信道下的可靠和安全通信。2016年，山西大學和清華大學聯(lián)合團隊完成了量子直接通信的第一個實驗演示。2017年，中國科技大學、南京郵電大學和清華大學的相關團隊分別完成了基于糾纏的量子直接通信演示實驗。2019年，龍桂魯教授團隊和陸建華教授團隊合作，成功研制了國際上第一個量子直接通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了1.5km光纖距離下50bps的安全通信速率。2020年他們在中關村論壇發(fā)布了世界首款實用化量子直接通信樣機，實現(xiàn)了10公里光纖中4kbps的傳輸速率;同年他們將通信距離進一步提升到了18km。2021年，上海交通大學和江西師范大學聯(lián)合團隊實現(xiàn)了15個用戶的點到點量子直接通信網(wǎng)絡。

量子直接通信系統(tǒng)示意圖

  在以前系統(tǒng)中，抽樣檢測和信息傳輸全部采用相位量子態(tài)。新系統(tǒng)采用了相位量子態(tài)和時間戳量子態(tài)的混合編碼，時間戳量子態(tài)用于抽樣檢測，大大降低了噪聲影響。而通信依然采用具有自補償性能的相位量子態(tài)。因而新系統(tǒng)具有高度的穩(wěn)定性和極低的本征誤碼率(沒有竊聽時的誤碼率)，結合具有更強糾錯能力的極低碼率LDBCH編碼，有效提高了安全通信容量、距離和速率。

  新系統(tǒng)在50MHz激光脈沖頻率下將最大可容忍損耗從5.1dB提升到18.4dB，在商用低損耗單模光纖中的最遠通信距離達到了100公里，突破了之前18公里的最長距離。新系統(tǒng)的通信速率也得到了提高，在30公里的光纖距離，通信速率達到22.4 kbps。新系統(tǒng)在激光脈沖頻率上還有大的提升空間，相應的通信距離、速率有望進一步提升，滿足部分場景的應用需求。

  本項研究成果表明，使用現(xiàn)有的成熟技術手段，城市間的點對點量子直接通信可行。另一方面，利用最近清華大學、北京量子信息科學研究院、南方郵電大學、南方科技大學以及英國南安普頓大學等單位學者共同提出的安全經(jīng)典中繼量子網(wǎng)絡技術，可以建設安全中繼量子網(wǎng)絡，支撐多種應用。