Light | 量子直接通信达到一百公里

近日清华大学和北京量子院的龙桂鲁教授团队和陆建华院士团队合作，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，通信距离超越百公里，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的广域量子网络的应用。

该成果以“Realization of quantum secure direct communication over 100 km fiber with time-bin and phase quantum states” 为题发表在 Light: Science & Applications。

2000 年，龙桂鲁教授提出了量子直接通信的第一个协议。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，山西大学和清华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，龙桂鲁教授团队和陆建华院士团队合作，成功研制了国际上第一个量子直接通信系统，实现了 1.5 km 光纤距离下 50 bps 的安全通信速率。

2020 年，龙桂鲁教授团队和陆建华院士团队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 4 kbps的传输速率；同年他们将通信距离进一步提升到了 18 km。

图1：实验装置示意图

在以前系统中，抽样检测和信息传输全部采用相位量子态。新系统采用了相位量子态和时间戳量子态的混合编码。以前的系统使用相位量子态进行抽样检测，受噪声影响较大。新系统使用时间戳量子态进行抽样检测，大大降低了噪声影响，而新系统的通信依然采用具有自补偿性能的相位量子态。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），使用更强纠错能力的极低码率 LDBCH 编码，大幅度地提高了安全通信容量、距离和速率。

新系统激光脉冲频率是 50 MHZ，最大可容忍损耗提升到 18.4 dB，在商用低损耗单模光纤中的最远通信距离达到了 100 公里，突破了之前 18 公里的最长距离。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 22.4  kbps。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。

本项研究成果表明，使用现有的成熟技术手段，可以实现城市间的点对点量子直接通信。而利用最近北京量子院、清华大学等中英学者提出的安全经典中继量子网络技术，可以实现任意距离和任意大范围的具有端端安全的安全通信，支撑多种应用。

论文信息

Zhang, H., Sun, Z., Qi, R. et al. Realization of quantum secure direct communication over 100 km fiber with time-bin and phase quantum states. Light Sci Appl 11, 83 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00769-w

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