我国首创量子密钥分发开放式新架构

北京量子信息科学研究院量子密钥分发实验室。新华社发

北京量子信息科学研究院袁之良团队首创量子密钥分发开放式新架构，采用光频梳技术，成功实现615公里光纤量子通信。该架构在确保量子通信安全性的同时，能大幅降低系统建设成本，为我国建设多节点广域量子网络奠定基础。相关成果日前发表于国际学术期刊《自然-通讯》。

量子密钥分发可实现无条件安全通信

所谓量子通信，是利用量子叠加态和纠缠效应进行信息传递的新型通信方式，其最突出特点是能够提供无法被窃听和计算破解的绝对安全性保证。量子通信主要分为量子隐形传态和量子密钥分发两种。其中量子隐形传态中的关键技术目前仍有待突破，处于理论研究和实验探索阶段。而量子密钥分发基于量子物理的基本原理和一次一密的加密方式，可实现无条件安全通信，是量子保密通信成为未来保障网络信息安全的一种非常有潜力的技术手段，是当今量子通信领域理论和应用研究的热点。

2018年英国东芝欧洲研究所提出新型双场协议，使得安全成码率以信道衰减的平方根线性下降，在无中继的情况下可突破码率界限，是实现500公里以上光纤量子通信的可行方案。目前国内外多个科研团队已经实现了500公里以上的量子密钥分发，但如此长距离传输容易出现误差，因此需要在两地再连通一条服务光纤，以保证两处激光源同频，这便形成了闭环结构。

双场协议的实现需要两个异地的独立激光源在第三方远程节点处实现稳定的单光子干涉，但通信双方激光源的微小频差与长距离光纤造成的快速相位漂移都对干涉有重要影响。

目前，传统的方案是在遥远两地间架设服务光纤作为传输媒介，然后通过时频传输或者光学锁相环等技术，完成两地激光源的频率锁定，这种闭合光纤架构非常不利于多节点的广域量子保密网络应用。

新架构新在何处？

袁之良团队基于自主开发的相干边带稳相与异地激光源频率校准技术，研制出首个开放式架构、无需服务光纤的新型双场量子密钥分发系统，实现了低损耗光纤四百公里级、五百公里级、六百公里级的安全成码，并且打破无中继量子密钥分发的码率界限，还成功演示了臂长差为百公里的量子密钥分发实验，是目前最长臂长差记录。

此次我国科学家首创的新架构新在何处？北京量子信息科学研究院光量子通信与器件团队成员周来打了一个比方：“如果想要在北京、青岛两地之间进行‘量子通话’，过去需在遥远的通信两端之间连通‘两条路’。新架构出现后‘一条路’就已足够。”

为“节省”下服务光纤但保留其发挥的作用，袁之良团队首次将光频梳技术应用于双场量子密钥分发。“光频梳技术，就好比把一束单频率的光，变成像多个‘梳子齿’一样分隔开来、不同频率的多束光。借助这把神奇的‘梳子’，无需架设服务光纤，即可实现通信两端‘信号’的频率校准，从而实现量子信息的准确传输。”周来说。

此外，在实际的超长距离量子通信中，光纤不免会发生快速抖动，也会影响传输“信号”的准确。光频梳技术还可同步解决光纤抖动的问题，大大降低噪声对量子信号的影响，确保光纤量子信息长距离传输的精准。

“作为世界上首个开放式架构的双场量子密钥分发系统，成功实现615公里的光纤量子通信，在量子通信的实现方案方面有了创新突破。”《自然-通讯》审稿人之一、量子通信科学家王双8日接受记者采访时表示，这一新架构有助于光纤量子密钥分发距离向千公里级别突破，为未来我国建设多节点广域量子网络奠定基础。

综合新华社电