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係統，完成615公裏光纖量子密鑰分發實驗，相當於(yu) 可在北京與(yu) 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，能極大節約係統建設成本，助力未來實現在城市間撥打“量子語音電話”。相關(guan) 研究成果近日發表於(yu) 《自然-通訊》。

　　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公裏的“跑道”。攜帶著量子密鑰信息的光，就在這條芯徑僅(jin) 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(wei) ，都會(hui) 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，借助“一次一密”的加密方式，為(wei) 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(yu) 量子信息遠距離傳(chuan) 輸的一種，兩(liang) 個(ge) 異地的獨立激光源分別發出量子比特，位於(yu) 中點的探測器則擔任“裁判員”，甄別兩(liang) 端信息是否匹配，據此生成密鑰。

　　借助這一理論，已有多支國內(nei) 外量子科研團隊實現了500公裏以上的量子密鑰分發。但通信雙方相隔如此之遠，而光的振蕩頻率最高可達每秒100萬(wan) 億(yi) 次，即使兩(liang) 地激光源的頻率在發出時僅(jin) “差之毫厘”，經過長距離傳(chuan) 輸也會(hui) “謬以千裏”，因此需要在兩(liang) 地連通第二條“光路”——服務光纖，保證兩(liang) 處激光源同頻，這便形成了閉環結構。

　　“這個(ge) 架構要搭建雙倍長度的光纖，不論是從(cong) 成本還是係統運行維護的角度，都存在諸多不便，不利於(yu) 未來多節點廣域量子保密網絡的建設。”於(yu) 是，袁之良團隊設計了一個(ge) 新架構，無需架設服務光纖，通過電光調製器產(chan) 生的相幹光頻梳來糾正頻率異常的量子光。“這個(ge) 小東(dong) 西尺寸隻有5到10厘米，作用卻與(yu) 原本數百公裏長的光纖相當。有了它，量子密鑰分發隻需搭建一條‘路’，所以稱其為(wei) 開放式架構雙場量子密鑰分發係統。”

　　利用新架構，袁之良團隊成功完成世界首個(ge) 開放式架構雙場量子密鑰分發實驗，分發距離達615公裏。相幹光頻梳技術的引入，還讓量子信號光的相位漂移速率降低了1000多倍，讓係統能更好地識別信號，有助於(yu) 光纖量子密鑰分發距離向千公裏級別突破。

　　“實地光纖是整套係統中最昂貴的部分，新架構更簡潔、更經濟，能極大地降低量子密鑰分發係統的建設成本，有利於(yu) 未來構建多用戶、多節點的城際量子保密通信網絡。”實驗成功隻是第一步，近期，袁之良團隊計劃開展場地實驗，利用傳(chuan) 統的光纖幹線網絡傳(chuan) 輸量子信息。未來，基於(yu) 此架構開展的量子通信“網速”不會(hui) 慢，將能承載兆比特每秒以上的傳(chuan) 輸需求，有望實現城域網的“量子視頻會(hui) 議”與(yu) 城際網的“量子語音電話”。

　　為(wei) 便於(yu) 推廣應用，相關(guan) 係統設備還將“瘦身”。“現在設備體(ti) 積還比較龐大，我們(men) 正在開發相應的光子芯片，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(ge) 光纖器件的功能就將集成在一塊1厘米見方的芯片上，集成為(wei) 可隨身攜帶的‘筆記本電腦’。”袁之良說。