近日清華大學(xué)和北京量子院的龍桂魯教授團隊和陸建華院士團隊合作，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)，通信距離超越百公里，是當(dāng)前世界最長的量子直接通信距離。這樣的指標(biāo)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)典中繼的廣域量子網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

該成果以“Realization of quantum secure direct communication over 100 km fiber with time-bin and phase quantum states” 為題發(fā)表在 Light: Science & Applications。

2000 年，龍桂魯教授提出了量子直接通信的第一個協(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，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實驗演示。

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驗。

2019 年，龍桂魯教授團隊和陸建華院士團隊合作，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 km 光纖距離下 50 bps 的安全通信速率。

2020 年，龍桂魯教授團隊和陸建華院士團隊在中關(guān)村論壇發(fā)布了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 4 kbps的傳輸速率；同年他們將通信距離進一步提升到了 18 km。

圖1：實驗裝置示意圖

在以前系統(tǒng)中，抽樣檢測和信息傳輸全部采用相位量子態(tài)。新系統(tǒng)采用了相位量子態(tài)和時間戳量子態(tài)的混合編碼。以前的系統(tǒng)使用相位量子態(tài)進行抽樣檢測，受噪聲影響較大。新系統(tǒng)使用時間戳量子態(tài)進行抽樣檢測，大大降低了噪聲影響，而新系統(tǒng)的通信依然采用具有自補償性能的相位量子態(tài)。新系統(tǒng)具有高度的穩(wěn)定性和極低的本征誤碼率（沒有竊聽時的誤碼率），使用更強糾錯能力的極低碼率 LDBCH 編碼，大幅度地提高了安全通信容量、距離和速率。

新系統(tǒng)激光脈沖頻率是 50 MHZ，最大可容忍損耗提升到 18.4 dB，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 公里的最長距離。新系統(tǒng)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(tǒng)在激光脈沖頻率上還有大的提升空間，相應(yīng)的通信距離、速率有望進一步提升，滿足部分場景的應(yīng)用需求。

本項研究成果表明，使用現(xiàn)有的成熟技術(shù)手段，可以實現(xiàn)城市間的點對點量子直接通信。而利用最近北京量子院、清華大學(xué)等中英學(xué)者提出的安全經(jīng)典中繼量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以實現(xiàn)任意距離和任意大范圍的具有端端安全的安全通信，支撐多種應(yīng)用。

論文信息

Zhang, H., Sun, Z., Qi, R. et al. Realization of quantum secure direct communication over 100?km fiber with time-bin and phase quantum states. Light Sci Appl 11, 83 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00769-w

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