赶超中国！东芝创下双场量子密钥分发新的纪录

光子盒研究院出品

6月7日，东芝欧洲公司剑桥研究实验室首次演示了长度超过600公里的光纤双场量子密钥分发(TF-QKD)，打破了2020年3月中国科大创下的500公里纪录。东芝表示，这一突破将使欧洲大都市之间的远程量子安全信息传输成为可能，是建设未来量子互联网的重要进展。

术语“量子互联网”描述了一个由量子计算机组成的全球网络，它们通过远程量子通信链路连接在一起。它有望实现云中复杂优化问题的超快速解决方案、更精确的全球定时系统和全球高度安全的通信。美国、欧盟和中国已经宣布了几项建设量子互联网的大型政府举措。

如何在长光纤上传输量子比特是构建量子互联网最困难的技术挑战之一。环境条件的微小变化，如温度波动，会导致光纤膨胀和收缩，从而扰乱脆弱的量子比特，这些量子比特被编码为光纤中弱光脉冲的相位延迟。

现在东芝已经通过引入一种新的“双波段”稳定技术，展示了创纪录的量子通信。这将发送两个不同波长的光学参考信号，以最小化长光纤上的相位波动。第一波长用于抵消快速变化的波动，而第二个波长与光学量子比特的波长相同，用于微调相位。在采用这些新技术后，东芝发现，即使在经过100公里光纤传输后，也可以将量子信号的光学相位保持在波长的几分之一内，精度为10纳米。如果不实时消除这些波动，光纤会随着温度的变化而膨胀和收缩，从而扰乱量子信息。

双频段稳定的第一个应用是长距离量子密钥分发(QKD)。商用QKD系统仅限于100-200公里的光纤。2018年，东芝提出双场QKD协议，作为延长距离的一种方式，并用短光纤和衰减器测试了其抗光损耗能力。通过引入双频段稳定技术，东芝公司目前已在长光纤上实现双场量子密钥分发，并首次演示了600多公里的QKD。

600公里双场QKD实验。来源：东芝欧洲

2012年，多伦多大学的H. K. Lo等人提出了测量设备无关（Measurement-Device-Independent, MDI）的QKD协议，可以消除探测器侧信道漏洞，同时可以极大的增大通信距离。

在MDI-QKD中发送方Alice和接收方Bob分别随机制备BB84弱相干态，然后发送给一个不可信的第三方Charlie进行贝尔态测量，根据Charlie公布的贝尔态测量结果Alice和Bob建立安全的密钥。

综合真实环境里的安全性以及传输距离，MDI-QKD是目前最优的远距离光纤量子密钥分发方案。但是MDI-QKD也有缺点。

传统MDI-QKD采用双光子符合事件作为有效探测事件，即接收方Charlie每产生一次用来成码的有效探测需要消耗两个光子，其安全成码率随着信道衰减线性下降，因此，在无量子中继的情形下，传统MDI-QKD的安全成码率是无法突破线性成码极限的。

如果能做到每次用来成码的有效探测所消耗的光子数比传统MDI-QKD更少，那么就可以在相同的信道损耗下获得比传统MDI-QKD更多的有效探测，从而获得比线性成码极限更高的成码率。这就是双场量子密钥分发（TF-QKD）方案。

TF-QKD是利用单光子干涉作为有效探测事件的MDI-QKD。接收方Charlie每产生一次用来成码的有效探测只需要消耗一个光子，比传统MDI-QKD探测消耗的光子少一个，从而使其安全成码率提升至随信道衰减的平方根下降。

因此，在长距离传输情形下，TF-QKD较传统MDI-QKD具有更高的成码率以及更远的成码距离，甚至可以在无量子中继的情形下轻松突破量子密钥分发的成码率线性极限。

 （a）传统测量设备无关量子密钥分发；（b）双场量子密钥分发。来源：墨子沙龙

2020年3月，中国科学技术大学潘建伟院士团队与清华大学、山东济南量子技术研究院等机构合作，突破了远距离独立激光相位干涉技术，实现了500公里量级真实环境光纤的双场量子密钥分发（TF-QKD）。随着东芝实现600公里双场量子密钥分发，创新了新的记录。

论文作者Mirko Pittaluga说：“这是一个非常令人兴奋的结果，有了我们开发的新技术，QKD通信距离的进一步扩展仍然是可能的，我们的解决方案也可以应用于其他量子通信协议和应用。”

东芝公司高级副总裁兼首席数字官Taro Shimada表示：“有了量子技术的这一成功，东芝愿以极快的速度进一步拓展量子业务。我们的愿景是建立一个量子信息技术服务平台，这不仅可以实现全球范围内的安全通信，还可以实现基于云的量子计算和分布式量子传感等数字转型技术。”

这一进展的细节于6月7日发表在科学期刊《自然·光子学》上。这项工作部分由欧盟通过H2020项目OpenQKD资助。该团队现在正在设计建议的解决方案，以简化其未来的采用和部署。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41566-021-00811-0

在这一最新进展之前，去年英国电信和东芝宣布部署英国首个工业量子安全网络。在英国国家复合材料中心(NCC)和英国建模与仿真中心(CFMS)之间传输数据，东芝的多路复用兼容性允许数据和量子密钥在同一光纤上传输，消除了对昂贵的密钥分发专用基础设施的需求。

多路复用QKD利用现有的短距离基础设施和长距离的双场QKD技术的结合，为商业上可行的全球量子安全网络铺平了道路。

参考链接：

[1]https://www.toshiba.eu/pages/eu/Cambridge-Research-Laboratory/toshiba-announces-breakthrough-in-long-distance-quantum-communication

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/ubKZpfWVxsefeDkMm9j8Jw

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