刷新世界纪录！我国科学家实现100公里量子直接通信

近日，清华大学团队首次实现通信距离达到100公里的量子直接通信新系统，这是目前世界上最长的量子直接通信距离，有助于实现无中继条件下城际量子直接通信。

量子通信根据功能的不同，主要分为量子密钥分发、量子秘密共享和量子安全直接通信三种模式。量子密钥分发是1984年由沃尔夫奖获得者美国科学家Bennett和加拿大科学家Brassard提出的，通信双方通过分发一系列的单光子，在双方共享随机密钥，然后利用共享的密码，结合“一次一密”，辅助经典通信实现保密通信。量子秘密共享是1999年由Hillery等三位科学家提出，可以看成是多方的量子密钥分发。量子密钥分发和量子秘密共享在发现窃听的时候，有部分密钥泄露，因此不能直接传输信息。2000年，清华大学龙桂鲁教授等提出量子安全直接通信理论，不需事先建立密钥，利用两个纠缠粒子直接传输秘密信息，既能发现窃听，还能保证发现窃听之前的信息不泄露，是一种在既有噪声又有窃听的信道下的可靠和安全通信。《6G研究白皮书》指出，量子安全直接通信是一种高安全性协议，在下一代安全通信方面将具有巨大的潜力。

近年来，量子安全直接通信进展迅速：

2016年，清华大学和山西大学联合团队完成了量子直接通信的第一个实验演示。
2017年，中国科技大学、南京邮电大学和清华大学的相关团队分别完成了基于纠缠的量子直接通信演示实验。
2019年，清华大学龙桂鲁教授团队和陆建华教授团队合作，成功研制了国际上第一个量子直接通信系统，实现了1.5km光纤距离下50bps的安全通信速率。2020年他们在中关村论坛发布了世界首款实用化量子直接通信样机，实现了10公里光纤中4kbps的传输速率；同年他们将通信距离进一步提升到了18km。
2021年，上海交通大学和江西师范大学团队合作，首次实现了网络中15个用户之间的安全通信，其传输距离达40公里。

此次，龙桂鲁教授团队与陆建华教授团队合作，设计和实现了一种相位量子态与时间戳量子态混合编码的量子直接通信新系统，通信距离达到百公里，是当前世界最长的量子直接通信距离。这样的指标可以在无中继条件下实现城市之间的点对点量子直接通信，同时可以支撑基于安全经典中继建立的广域量子网络的一些应用。相关成果发表在顶级期刊《Light-Science&Applications》。

据介绍，在以前系统中，抽样检测和信息传输全部采用相位量子态。新系统则采用了相位量子态和时间戳量子态的混合编码，时间戳量子态用于抽样检测，大大降低了噪声影响，而通信依然采用具有自补偿性能的相位量子态。因而新系统具有高度的稳定性和极低的本征误码率（没有窃听时的误码率），结合具有更强纠错能力的极低码率LDBCH编码，有效提高了安全通信容量、距离和速率。

新系统在50MHZ激光脉冲频率下将最大可容忍损耗从5.1dB提升到18.4dB，在商用低损耗单模光纤中的最远通信距离达到了100公里。新系统的通信速率也得到了提高，在30公里的光纤距离，通信速率达到22.4kbps。新系统在激光脉冲频率上还有大的提升空间，相应的通信距离、速率有望进一步提升，满足部分场景的应用需求。

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来源：综合清华大学物理系、澎湃新闻、中国科学杂志社等