近日，清華大學(xué)團(tuán)隊首次實現(xiàn)通信距離達(dá)到100公里的量子直接通信新系統(tǒng)，這是目前世界上最長的量子直接通信距離，有助于實現(xiàn)無中繼條件下城際量子直接通信。

清華大學(xué)物理系龍桂魯教授于2000年提出量子直接通信的首個協(xié)議。量子直接通信以量子態(tài)作載體來編碼和傳輸信息，是量子保密通信的新范式。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，清華大學(xué)和山西大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊完成了量子直接通信的第一個實驗演示。三年后，龍桂魯教授團(tuán)隊和清華大學(xué)電子系陸建華教授團(tuán)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1.5公里光纖距離下50bps（比特/秒）的安全通信速率。他們還曾在中關(guān)村論壇（中國面向全球科技創(chuàng)新交流合作的國家級平臺）發(fā)布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（千比特每秒）的傳輸速率，并將通信距離進(jìn)一步提升到18公里。

此次，龍桂魯與陸建華教授團(tuán)隊設(shè)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)，量子直接通信距離首次達(dá)到100公里，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)典中繼建立的廣域量子網(wǎng)絡(luò)的一些應(yīng)用。相關(guān)成果發(fā)表在《Light-Science&Applications》期刊。

實驗裝置，圖片來自論文

在以往的系統(tǒng)中，抽樣檢測和信息傳輸均采用相位量子態(tài)。此次，清華團(tuán)隊研發(fā)的新系統(tǒng)采用相位量子態(tài)和時間戳量子態(tài)的混合編碼。時間戳量子態(tài)可用于抽樣檢測，大大降低噪聲影響，通信依然采用具有自補償性能的相位量子態(tài)。因此，新系統(tǒng)具有高度的穩(wěn)定性和極低的本征誤碼率（即沒有竊聽時的誤碼率），結(jié)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。

此外，新系統(tǒng)在50MHz（赫茲）激光脈沖頻率下將最大可容忍損耗從5.1dB（分貝）提升到18.4dB，在商用低損耗單模光纖中的最遠(yuǎn)通信距離達(dá)到100公里，突破了之前18公里的最長距離。其通信速率也得到了提升，在30公里光纖距離下通信速率達(dá)到22.4kbps。同時，該系統(tǒng)在激光脈沖頻率上還有提升空間，相應(yīng)的通信距離、速率將有望進(jìn)一步提升，滿足部分場景的應(yīng)用需求。

清華大學(xué)張浩然（導(dǎo)師王崇愚院士）、孫臻（導(dǎo)師陸建華院士）為論文共同第一作者。物理系龍桂魯教授和信息國家研究中心殷柳國研究員為共同通信作者。