清华首次实现100公里量子直接通信，有助城际量子直接通信

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。

清华大学物理系龙桂鲁教授于2000年提出量子直接通信的首个协议。量子直接通信以量子态作载体来编码和传输信息，是量子保密通信的新范式。量子直接通信将噪声信道下的可靠通信发展为噪声和窃听信道下的可靠和安全通信。

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。三年后，龙桂鲁教授团队和清华大学电子系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1.5公里光纤距离下50bps（比特/秒）的安全通信速率。他们还曾在中关村论坛（中国面向全球科技创新交流合作的国家级平台）发布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（千比特每秒）的传输速率，并将通信距离进一步提升到18公里。

此次，龙桂鲁与陆建华教授团队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，量子直接通信距离首次达到100公里，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《Light-Science&Applications》期刊。

实验装置，图片来自论文

在以往的系统中，抽样检测和信息传输均采用相位量子态。此次，清华团队研发的新系统采用相位量子态和时间戳量子态的混合编码。时间戳量子态可用于抽样检测，大大降低噪声影响，通信依然采用具有自补偿性能的相位量子态。因此，新系统具有高度的稳定性和极低的本征误码率（即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。

此外，新系统在50MHz（赫兹）激光脉冲频率下将最大可容忍损耗从5.1dB（分贝）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100公里，突破了之前18公里的最长距离。其通信速率也得到了提升，在30公里光纤距离下通信速率达到22.4kbps。同时，该系统在激光脉冲频率上还有提升空间，相应的通信距离、速率将有望进一步提升，满足部分场景的应用需求。

清华大学张浩然（导师王崇愚院士）、孙臻（导师陆建华院士）为论文共同第一作者。物理系龙桂鲁教授和信息国家研究中心殷柳国研究员为共同通信作者。