世界首例！英国电信在空心光缆上进行量子密钥分发

光子盒研究院出品

本周一，英国电信(BT)宣布，该公司在量子安全通信的发展中取得了一个新的里程碑，即实现了世界上第一个在空心光纤(HCF)电缆上进行的量子密钥分发(QKD)实验[1]。该实验所用空心光纤由南安普敦大学分拆公司Lumenisity提供。

早在2013年，英国南安普顿大学的研究人员创造出了一种空心光纤电缆。这种设备中间是中空的，只是被填充了空气。根据当时的报道，其传输速度比普通光纤电缆快1000倍。研究人员透露，光在空气中的传输速度大约是其在真空中速度的99.7%，因此理论数据传输速度达到了10TB/s[2]。

 空芯光纤截面图

今年夏天，英国电信实验室启动了一种新型空心光纤的试验，名为嵌套反谐振无节点光纤(NANF)，以测试在包括安全通信在内的各种场景中部署这种技术的潜在好处。这些试验使用由Lumenisity开发和制造的电缆来满足先进通信系统对高速交易和带宽增加的需求，该电缆也已用于数据中心互连(DCI)、边缘和5G xHaul等应用。

生产中的Lumenisity NANF(R)空心光纤

在最新试验中，英国电信的研究人员使用商业设备在一条6公里长的Lumenisity CoreSmart®光纤电缆上成功运行了一个最先进的QKD系统(由欧盟OpenQKD项目提供)。研究表明，空心光缆具有潜在优势，如减少延迟和无明显串扰——传输信号干扰另一个信号传输的情况。

在大多数光纤通信中，高速信号通过实心玻璃发送，利用不同波长的光来实现高容量传输。然而在QKD系统中，由于频率的变化会导致光通道泄漏到其他通道中，量子光需要在单光子通道上传输，传统上需要使用单独的光纤。因为“串扰”效应会导致来自高速数据通道的光增大其波长，干扰同一光纤上传输的量子信号。这种效果类似于在管弦乐队旁边进行低声交谈，你很难听到对方的声音。

空心光纤没有内部材料——只有空气——所以即使在单光子级别上，光散射和通道之间的串扰也很少。这种更清晰的分离——类似于两个扬声器和管弦乐队之间的隔墙——通过同一根光纤可以更容易地传输高速加密数据流和携带加密密钥的微弱量子信号。

在之前的技术试验中，英国电信还证明，通过空心光纤发送光信号比玻璃光纤快得多：空心光纤使数据传输速度比传统光缆快50%[3]。这意味着可以显著降低数据传输的延迟。

Lumenisity的电缆还展示了部署QKD的更多好处，例如商用电信设备无需优化即可发送数据加密密钥。这是非常重要的，因为设备无需修改(这种修改会增加通过标准光纤发送安全信号的复杂性)即可正常使用。

英国电信光网络研究负责人Andrew Lord教授说：“这对BT来说是一个激动人心的里程碑，它保持了英国在量子技术方面的领先地位，量子技术将在全球未来的通信系统中发挥重要作用。我们已经证明了通过部署用于量子安全通信的空心光纤可以实现一系列好处。空芯光纤的低延迟和通过单根光纤发送QKD与其他信号的能力是未来安全通信的关键进步。”

“我们很高兴能够为我们的现场可部署CoreSmart电缆解决方案确定新的应用，并与BT团队合作在世界上进行首次此类试验。这一里程碑不仅进一步突出了我们的空心光缆解决方案的能力，提供了低延迟和高带宽，而且还展示了CoreSmart在新应用中的潜力，得益于宽光谱的超低非线性和色散，非常适合我们的运营商合作伙伴运营的网络，”Lumenisity销售和营销副总裁Tony Pearson说。

英国电信的试验仍然有局限[4]：该实验没有深入到交换实际的加密数据，只是研究了量子粒子在与高功率经典通道(本例中为光信号)一起发送时的行为。英国电信的研究员Catherine White表示，这项试验的成功在于两个通道都保持良好运行，而现行标准光纤则不然。

“我们只是在验证密钥交换，而不是在这种情况下测试加密，” White说。

但研究人员继续说，试验中的参数，如量子误码率，表明该系统有效地生成了一个可用于保护数据的密钥。目前正在进行将配置应用于数据交换的实验。

下一个挑战将是找出这项技术是否可以扩大规模。英国电信在一条6公里长的电缆上试验了量子密钥分发技术，这与研究人员成功将量子粒子传送到数百公里以外的其他协议试验相去甚远。例如，今年6月，中国科大成功实现500公里量级现场无中继光纤量子密钥分发。

White解释说，尽管具有低延迟和低散射的特性，但BT试验中使用的空芯光纤并不低损耗，这是扩展QKD覆盖范围的关键特性。研究人员正在对这种材料进行微调，以改善其在这方面的性能。

White说：“研究结果表明，当针对特定波长调谐光纤时，我们能够获得惊人的低损耗。这是非常有希望的，我们将看到进一步的发展。这确实意味着，空心光纤可能有助于实现比目前更大范围的QKD。”

英国电信集团(BT Group)是英国领先的电信和网络提供商，也是全球通信服务和解决方案的领先提供商，为180个国家的客户提供服务。

截至2021年3月31日，英国电信集团的报告收入为213.31亿英镑，税前利润为18.04亿英镑。

自2014年以来，英国电信一直在积极开发面向商业化的量子通信安全解决方案，这是其研究量子计算将对电信影响的计划的一部分。英国电信领导并参与QKD领域的多个合作项目，从其自身的研究中提供见解，与业界合作将QKD标准化并集成到面向未来的安全解决方案中。

今年早些时候，英国电信还利用东芝的量子技术为布里斯托的英国国家复合材料中心提供了第一个工业量子安全网络。

此外，英国电信联合刚上市的量子加密公司Arqit和维珍轨道公司(维珍银河子公司)将在2023年发射两颗量子卫星。

根据本周一Northern Sky Research发布的报告，预计到2030年，卫星量子通信将带来26亿美元的收入，目标市场包括银行、能源、政府和军队等[5]。

参考链接：

[1]https://newsroom.bt.com/bt-conducts-worlds-first-trial-of-quantum-secure-communications-over-hollow-core-fibre-cable/

[2]https://www.nature.com/articles/nphoton.2013.45

[3]https://www.zdnet.com/article/this-fibre-optic-cable-full-of-air-could-be-the-key-to-better-5g-networks/

[4]https://www.zdnet.com/article/quantum-cryptography-this-air-filled-fiber-optic-cable-can-transport-un-hackable-keys-say-researchers/

[5]https://www.nsr.com/emerging-quantum-communications-via-satellite-revenue%e2%80%afopportunity-of-2-6-billion%e2%80%afby-2030/

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