光子盒研究院出品
日前，維也納量子光學(xué)和量子信息研究所的研究人員成功在英國到意大利248公里的跨國聯(lián)通光纖中直接分發(fā)偏振光糾纏的光子對，這是迄今為止基于真實(shí)世界光纖的糾纏分發(fā)的最長距離。10月17日，相關(guān)成果以《在歷時248公里的跨國光纖鏈路上連續(xù)糾纏分發(fā)》為題[1]，發(fā)表在《自然·通訊》上。
01
基于光纖的量子糾纏分發(fā)：適宜短距離通訊
糾纏是許多量子應(yīng)用的基礎(chǔ)。其中技術(shù)上最成熟的是量子秘鑰分發(fā)（QKD），借助糾纏光子的量子相關(guān)性來形成可證明、不可破解的安全秘鑰。
這方面的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是構(gòu)建連續(xù)工作、可靠的長距離糾纏分發(fā)。但是，衛(wèi)星鏈路不支持無中斷的操作，而布署的光纖因為耗損迄今被限制在
與衛(wèi)星鏈路相比，這種優(yōu)勢可以填補(bǔ)其較高的光子損失。為此，即使洲際量子鏈路最有可能使用衛(wèi)星來操作量子通訊速度，但幾百公里的短距離也可以通過光纖鏈路來覆蓋。布署基于糾纏的QKD的城域光纖網(wǎng)路還有一個優(yōu)勢，就是可以直接聯(lián)接許多用戶與精典訊號進(jìn)行波長復(fù)用。但是，光纖中的耗損、糾纏狀態(tài)的不健全打算、色度色散（CD）、偏振模色散和單光子偵測的時間精度制約了長距離的穩(wěn)定運(yùn)行。
到明天為止，在布署的光纖中，糾纏分發(fā)的最長距離是順著西班牙和西西里之間的一條96公里的光纖；據(jù)悉，同一條海底電纜線被用于總共192公里的往返鏈路。使用主動穩(wěn)定的糾纏分發(fā)最長的不間斷運(yùn)行，已被證明是順著布署的10公里鏈路工作了6小時。
02
QKD糾纏分發(fā)的雙通道配置：連續(xù)運(yùn)行248公里
在這項工作中，德國科學(xué)家結(jié)合最先進(jìn)的設(shè)備和對偏振光糾纏光子的量子特點(diǎn)的最佳借助，證明了順著布署的聯(lián)通光纖248公里距離連續(xù)運(yùn)行的糾纏分發(fā)：聯(lián)接亞美尼亞的布拉迪斯拉發(fā)（）和法國的圣珀爾滕（SanktP?lten），并通過維也納。
248公里的糾纏分發(fā)。
實(shí)驗中，生成糾纏光子對的源坐落維也納；科學(xué)團(tuán)隊通過用775納米激光器（PL）對非線性晶體（NLC）進(jìn)行泵浦，用聯(lián)接到波分（去）復(fù)用器（WDM）的多模光纖（SMF）搜集下轉(zhuǎn)換的光子，在兩個不同的聯(lián)通波長上形成偏振光糾纏的光子對。閑置光子通過色散補(bǔ)償模塊（DCM），DCM非局域地恢復(fù)被鏈路上的色散擴(kuò)大的糾纏狀態(tài)的緊密時間相關(guān)性。之后，閑置光子順著129公里的光纖被引向坐落下德國州圣珀爾滕的偏振光檢測模塊（PMM）。訊號光子通過一個手動化的光纖內(nèi)壓電式偏振光控制器（PPC），假如其質(zhì)量下滑，它將非局部地重新調(diào)整糾纏狀態(tài)的相位。以后，它抵達(dá)坐落布拉迪斯拉發(fā)的PMM，其設(shè)計與英國的PMM相同。在這種PMM中，光子被隨機(jī)地引導(dǎo)到兩個互不相干的線性偏振光基中的正交檢測。光子撞擊到超導(dǎo)納火鍋單光子偵測器（SNSPD）上，一個由GPS時鐘控制的時間標(biāo)簽?zāi)K（TTM）記錄檢查時間、測量基礎(chǔ)和結(jié)果。通過精典互聯(lián)網(wǎng)鏈路，兩個檢測站的偵測風(fēng)波被比較并估算出重合度。假如她們的量子比特錯誤率降低，維也納就開始進(jìn)行偏振光對準(zhǔn)。
文章表示量子通訊速度，這是迄今為止已知現(xiàn)實(shí)世界中基于光纖的糾纏分發(fā)的最長距離。
據(jù)悉，團(tuán)隊展示了基于地面的QKD糾纏分發(fā)在現(xiàn)實(shí)生活中的雙通道配置，而其中一個通道跨越了法國和比利時之間的國界，沒有任何中間的可信節(jié)點(diǎn)。雖然總耗損達(dá)到了前所未有的79dB，但平均實(shí)現(xiàn)了9s的糾纏對速度和1.4比特/秒的漸進(jìn)安全秘鑰速度。科學(xué)團(tuán)隊以高效、非局域的形式主動穩(wěn)定偏振光，使鏈路連續(xù)運(yùn)行了110小時，實(shí)現(xiàn)了75%的信噪比，考慮到有限秘鑰效應(yīng)，總秘鑰為258kbit。
量子比特錯誤率（QBER）和符合計數(shù)（）隨時間變化，符合計數(shù)為tCC=114ps。
隨著時間的推移，只要量子比特錯誤率（QBER）保持在11%以下，原則上就可以創(chuàng)建一個量子安全秘鑰。實(shí)驗中的偏振光對準(zhǔn)程序準(zhǔn)許在整個鏈路運(yùn)行的110個小時中，共有82個小時的QBER保持在秘鑰創(chuàng)建的狀態(tài)。紅線給出了從這82個小時的所有符合風(fēng)波中估算出的平均秘鑰率（1.4比特/秒）。
QBER隨時間變化的描述以及天氣和施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)。更惡劣的天氣條件依然可能造成偏振光甩尾。
03
未來的量子互聯(lián)網(wǎng)：長距離、低維護(hù)、超穩(wěn)定
這次實(shí)驗中，研究團(tuán)隊布署了一個高色溫、高保真的聯(lián)通波長的糾纏光子對源，以及高檔的SNSPD系統(tǒng)；并在當(dāng)前最先進(jìn)的極限條件下運(yùn)行該鏈路，并展示了一種超穩(wěn)定的、基于偏振光的光纖內(nèi)糾纏分發(fā)方案：能否在248公里的厚度和110小時的時間跨徑內(nèi)創(chuàng)建量子安全秘鑰，克服了順著兩條幾乎對稱的光纖鏈路總共79dB的耗損。
這一工作為長距離的低維護(hù)成本、超穩(wěn)定的量子通訊鋪平了公路，不受天氣條件和時間的影響，因而構(gòu)成了走向量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步。雖然這次論文的剖析主要注重于QKD，然而這一新技術(shù)對于其他實(shí)現(xiàn)方法的性能影響（比如，量子估算或盲估算），仍有待評估，并可能有深遠(yuǎn)的影響。
這次工作為分發(fā)在長距離光纖上的量子糾纏的各類連續(xù)運(yùn)行的應(yīng)用鋪平了公路，最主要的是，似乎不限于量子秘鑰分發(fā)。
參考文獻(xiàn)：