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北京量子信息科學研究院袁之良團隊首創量子密鑰分發開放式新架構，采用光頻梳技術，成功實現615公里光纖量子通信。該架構在確保量子通信安全性的同時，能大幅降低系統建設成本，為我國建設多節點廣域量子網絡奠定基礎。相關成果日前發表于國際學術期刊《自然-通訊》。
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，量子密鑰分發基于量子的不可測量性、不可克隆性，借助“一次一密”的加密方式，為量子通信上了一把“安全鎖”。“雙場”是目前所有量子密鑰分發協議中，最適合遠距離傳輸的一種。
北京量子信息科學研究院首席科學家袁之良介紹，雙場架構下量子通信，需要相距遙遠的兩個獨立激光源各自發出“信號”。如果激光源發射的“信號”頻率不同，就會出現傳輸中的“信號”失誤。想要避免“信號”失誤，就需要一個能實現兩端“信號”頻率相同的“工具”：服務光纖。這意味著通信兩端之間還需額外架設“一條路”，這也就構成了由“兩條路”構成的傳統架構。
圖a為傳統閉合光纖架構。圖b為中國科學家袁之良團隊首創的開放式架構，能夠在確保量子通信安全性的同時降低系統建設成本。（受訪者制圖）
“傳統架構，意味著搭建雙倍長度的光纖，成本高且結構復雜，系統運行維護起來貴且困難，不利于未來多節點廣域量子保密網絡的建設。”袁之良說。
此次我國科學家首創的新架構新在何處？北京量子信息科學研究院光量子通信與器件團隊成員周來打了一個比方：“如果想要在北京、青島兩地之間進行‘量子通話’，過去需在遙遠的通信兩端之間連通‘兩條路’。新架構出現后‘一條路’就已足夠。”
圖為北京量子信息科學研究院量子密鑰分發實驗室。新華社記者張漫子攝
為“節省”下服務光纖但保留其發揮的作用，袁之良團隊首次將光頻梳技術應用于雙場量子密鑰分發。“光頻梳技術，就好比把一束單頻率的光，變成像多個‘梳子齒’一樣分隔開來、不同頻率的多束光。借助這把神奇的‘梳子’，無需架設服務光纖，即可實現通信兩端‘信號’的頻率校準，從而實現量子信息的準確傳輸。”周來說。
此外，在實際的超長距離量子通信中，光纖不免會發生快速抖動，也會影響傳輸“信號”的準確。光頻梳技術還可同步解決光纖抖動的問題，大大降低噪聲對量子信號的影響，確保光纖量子信息長距離傳輸的精準。
“作為世界上首個開放式架構的雙場量子密鑰分發系統，成功實現615公里的光纖量子通信，在量子通信的實現方案方面有了創新突破。”《自然-通訊》審稿人之一、量子通信科學家王雙8日接受記者采訪時表示，這一新架構有助于光纖量子密鑰分發距離向千公里級別突破，為未來我國建設多節點廣域量子網絡奠定基礎。
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