北京量子院世界首创量子密钥分发新架构

　　利用光频梳技术，北京量子信息科学研究院首席科学家袁之良团队在世界上首次实现开放式架构双场量子密钥分发系统，完成615公里光纤量子密钥分发实验，相当于可在北京与青岛之间搭起一座密钥分发“安全桥”。新型开放式架构设计更加简洁，能极大节约系统建设成本，助力未来实现在城市间拨打“量子语音电话”。相关研究成果近日发表于《自然-通讯》。

　　在袁之良组建的实验室一角，一组组光纤整齐地排列着，连接成一条总长度超过600公里的“跑道”。携带着量子密钥信息的光，就在这条芯径仅10微米的“跑道”上飞奔。

　　安全是量子通信最大的特点，任何试图截获、测量的“窃听”行为，都会经由误码率如实反映出来。量子密钥分发是量子通信的主要方式之一，它利用量子的不可测量性和不可克隆性，借助“一次一密”的加密方式，为量子通信提供了一把牢靠的“安全锁”。双场量子密钥分发协议是现有架构中，最有利于量子信息远距离传输的一种，两个异地的独立激光源分别发出量子比特，位于中点的探测器则担任“裁判员”，甄别两端信息是否匹配，据此生成密钥。

　　借助这一理论，已有多支国内外量子科研团队实现了500公里以上的量子密钥分发。但通信双方相隔如此之远，而光的振荡频率最高可达每秒100万亿次，即使两地激光源的频率在发出时仅“差之毫厘”，经过长距离传输也会“谬以千里”，因此需要在两地连通第二条“光路”——服务光纤，保证两处激光源同频，这便形成了闭环结构。

　　“这个架构要搭建双倍长度的光纤，不论是从成本还是系统运行维护的角度，都存在诸多不便，不利于未来多节点广域量子保密网络的建设。”于是，袁之良团队设计了一个新架构，无需架设服务光纤，通过电光调制器产生的相干光频梳来纠正频率异常的量子光。“这个小东西尺寸只有5到10厘米，作用却与原本数百公里长的光纤相当。有了它，量子密钥分发只需搭建一条‘路’，所以称其为开放式架构双场量子密钥分发系统。”

　　利用新架构，袁之良团队成功完成世界首个开放式架构双场量子密钥分发实验，分发距离达615公里。相干光频梳技术的引入，还让量子信号光的相位漂移速率降低了1000多倍，让系统能更好地识别信号，有助于光纤量子密钥分发距离向千公里级别突破。

　　“实地光纤是整套系统中最昂贵的部分，新架构更简洁、更经济，能极大地降低量子密钥分发系统的建设成本，有利于未来构建多用户、多节点的城际量子保密通信网络。”实验成功只是第一步，近期，袁之良团队计划开展场地实验，利用传统的光纤干线网络传输量子信息。未来，基于此架构开展的量子通信“网速”不会慢，将能承载兆比特每秒以上的传输需求，有望实现城域网的“量子视频会议”与城际网的“量子语音电话”。

　　为便于推广应用，相关系统设备还将“瘦身”。“现在设备体积还比较庞大，我们正在开发相应的光子芯片，目前已经取得了一定的进展。如果研发成功，原本分属十多个光纤器件的功能就将集成在一块1厘米见方的芯片上，集成为可随身携带的‘笔记本电脑’。”袁之良说。