隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)路通訊的安全問題愈發(fā)明顯。計(jì)算機(jī)的算力不斷提高鍺與量子通訊，傳統(tǒng)的加密方式面臨巨大的風(fēng)險(xiǎn)，在量子計(jì)算機(jī)的破譯之下將不堪一擊。
由此，科學(xué)家便基于量子熱學(xué)和密碼學(xué)開發(fā)下來量子秘鑰分發(fā)技術(shù)(Key,QKD)，稱為量子保密通訊，為信息安全提供了強(qiáng)有力的保障。
量子保密通訊的原理是借助量子態(tài)的不可檢測(cè)和不可復(fù)制性，在通訊線路的兩端用量子秘鑰對(duì)信息加密，信息倘若被查獲或則復(fù)制，原有的量子態(tài)會(huì)被破壞，進(jìn)而使傳輸方曉得監(jiān)聽者的存在，所以量子通訊也被稱為完全安全的數(shù)據(jù)傳輸方案。
量子態(tài)的單光子不可分割、不可復(fù)制，不能像傳統(tǒng)通訊那樣進(jìn)行復(fù)制放大，極大限制了光纖中的量子秘鑰分發(fā)距離。因而以單光子技術(shù)為基礎(chǔ)的量子保密通訊，傳輸距離很大程度上取決于線路中的耗損，更低衰減的光纖是延長(zhǎng)傳輸距離的有效方法。
為此，超低耗損光纖在量子通訊中的應(yīng)用將顯得至關(guān)重要。
這么，哪些是超低耗損光纖？
光纖的耗損主要來自于纖芯材料的瑞利散射耗損和吸收耗損。傳統(tǒng)光纖在制造時(shí)需在纖芯中參雜來提升纖芯的折射率，但卻會(huì)造成較高的瑞利散射和光纖衰減。而超低耗損光纖在纖芯中使用純氫氧化鋁，包層參雜增加折射率鍺與量子通訊，這樣既減少了纖芯瑞利散射帶來的衰減，又可實(shí)現(xiàn)訊號(hào)光全反射的傳輸。
圖1為常規(guī)摻鍺纖芯光纖和純硅纖芯光纖的折射率分布示意。使用純硅芯技術(shù)實(shí)現(xiàn)了光纖衰減的增加，如康寧公司的SMF-28?ULL（Ultra，超低耗損）純硅芯光纖，處的衰減可以增加至0.16dB/km（常規(guī)光纖為0.20dB/km）。
超低耗損光纖在量子通訊中的應(yīng)用
對(duì)于量子通訊來說，降低安全通訊距離、提高安全成分辨率和提升系統(tǒng)的安全性，是實(shí)用性量子秘鑰分發(fā)技術(shù)最重要的3個(gè)目標(biāo)。這么超低耗損光纖在這幾個(gè)方面表現(xiàn)怎樣呢？
01
降低安全通邊距離
對(duì)于長(zhǎng)距離廣域的量子秘鑰分發(fā)，需分成2個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)，首先通過光纖實(shí)現(xiàn)百千米的量子城域網(wǎng)路；之后通過可信中繼器實(shí)現(xiàn)量子城際網(wǎng)路。我國這一領(lǐng)域的應(yīng)用也同樣走在世界前列，2017年開通的滬寧量子干線，全長(zhǎng)為，共使用32個(gè)可信任中繼站，每2個(gè)中繼站之間的平均距離為62.5km。而倘若采用超低耗損光纖，還能提高每位中繼站之間的距離，理論上須要的可信中繼站更少(如圖3所示)。中繼站數(shù)目的降低一方面可以降低設(shè)備的投入；另一方面也降低了整個(gè)鏈路的潛在安全隱患（可信任中繼站是量子保密技術(shù)中安全較為薄弱的環(huán)節(jié)），增強(qiáng)了鏈路的整體安全性能。
02
降低成分辨率
量子通訊的秘鑰生成速度即成分辨率是評(píng)判QKD系統(tǒng)性能好壞的重要指標(biāo)，高的成分辨率可以加密更多的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生更復(fù)雜的加密體系，但是只有抵達(dá)一定速度的量子密鑰分發(fā)才具有商用價(jià)值。成幀率會(huì)隨著距離降低而呈指數(shù)衰減。超低耗損光纖在同樣的傳輸距離內(nèi)的衰減更低（見圖5），因而在系統(tǒng)配置相同的情況下才能提供更高的成幀率。如100km的距離，采用超低耗損光纖比普通光纖的鏈路衰減低3dB左右，明顯增強(qiáng)了系統(tǒng)秘鑰成幀率。
03
推進(jìn)精典訊號(hào)與光纖的共纖傳輸?shù)纳虡I(yè)化
基于單光子技術(shù)的量子秘鑰分發(fā)系統(tǒng)中，量子信道和精典信道分別從不同的光纖獨(dú)立傳輸。這是由于量子信道訊號(hào)硬度比精典通訊訊號(hào)的硬度小好多，假如量子信道和精典信通同時(shí)傳輸，精典信道的強(qiáng)訊號(hào)形成一系列非線性效應(yīng)嚴(yán)重影響QKD系統(tǒng)的傳輸療效，如信道雜訊、拉曼散射、自發(fā)幅射。而量子通訊與精典光傳輸系統(tǒng)倘若能實(shí)現(xiàn)共纖傳輸，就能大大減小量子保密通訊網(wǎng)路建設(shè)成本，有利于量子保密通訊的實(shí)用與推廣。
目前美國的法國富士通法國實(shí)驗(yàn)室、瑞士日內(nèi)瓦學(xué)院、西班牙馬德里學(xué)院等均舉辦了相關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)了百兆光通訊、10G波分系統(tǒng)和QKD量子信道復(fù)用光纖的實(shí)驗(yàn)。國外，中國聯(lián)通和交大國盾合作舉辦了相關(guān)研究，完成了千兆、千兆光通訊以及波分系統(tǒng)等和QKD量子信道共用光纖的試驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)是全球首個(gè)商用量子秘鑰分發(fā)系統(tǒng)與商用8Tbps(80×100Gbps)大容量密集波分復(fù)用系統(tǒng)共纖超長(zhǎng)距傳輸試驗(yàn)，在超低耗損光纖上實(shí)現(xiàn)了100km以上單跨傳輸。
為此，經(jīng)過多個(gè)研究機(jī)構(gòu)對(duì)超低耗損光纖的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與實(shí)踐檢驗(yàn)，超低耗損光纖在降低安全通訊距離、提高安全成分辨率和提升系統(tǒng)的安全性都具有顯著優(yōu)勢(shì)，終將促使量子估算和量子保密通訊領(lǐng)域的快速發(fā)展，并在量子估算的時(shí)代飾演重要的網(wǎng)路基礎(chǔ)設(shè)施。