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(xué)研究院、清華大學(xué)龍桂魯教授團隊和陸建華教授團隊合作設計和實(shí)現了一種相位量子態(tài)與時(shí)間戳量子態(tài)混合編碼的量子直接通信新系統，通信距離達到100公里，是當前世界最長(cháng)的量子直接通信距離。

  這樣的指標可以在無(wú)中繼條件下實(shí)現城市之間的點(diǎn)對點(diǎn)量子直接通信，同時(shí)可以支撐基于安全經(jīng)典中繼的廣域量子網(wǎng)絡(luò )一些應用。這一成果為實(shí)現《北京市“十四五”時(shí)期國際科技創(chuàng )新中心建設規劃》中，建設基于安全中繼的城際量子示范網(wǎng)絡(luò )的目標打下了堅實(shí)的基礎。2022年4月6日，該成果在線(xiàn)發(fā)表在Light：Science & Applications光學(xué)學(xué)術(shù)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(gè)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(tīng)信道下的可靠和安全通信。2016年，山西大學(xué)和清華大學(xué)聯(lián)合團隊完成了量子直接通信的第一個(gè)實(shí)驗演示。2017年，中國科技大學(xué)、南京郵電大學(xué)和清華大學(xué)的相關(guān)團隊分別完成了基于糾纏的量子直接通信演示實(shí)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(gè)量子直接通信系統，實(shí)現了1.5km光纖距離下50bps的安全通信速率。2020年他們在中關(guān)村論壇發(fā)布了世界首款實(shí)用化量子直接通信樣機，實(shí)現了10公里光纖中4kbps的傳輸速率;同年他們將通信距離進(jìn)一步提升到了18km。2021年，上海交通大學(xué)和江西師范大學(xué)聯(lián)合團隊實(shí)現了15個(gè)用戶(hù)的點(diǎn)到點(diǎn)量子直接通信網(wǎng)絡(luò )。

量子直接通信系統示意圖

  在以前系統中，抽樣檢測和信息傳輸全部采用相位量子態(tài)。新系統采用了相位量子態(tài)和時(shí)間戳量子態(tài)的混合編碼，時(shí)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)。因而新系統具有高度的穩定性和極低的本征誤碼率(沒(méi)有竊聽(tīng)時(shí)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(cháng)距離。新系統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(jìn)一步提升，滿(mǎn)足部分場(chǎng)景的應用需求。

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