光子盒研究院出品
日前，維也納量子光學和量子信息研究所的研究人員成功在英國到意大利248公里的跨國聯通光纖中直接分發偏振光糾纏的光子對，這是迄今為止基于真實世界光纖的糾纏分發的最長距離。10月17日，相關成果以《在歷時248公里的跨國光纖鏈路上連續糾纏分發》為題[1]，發表在《自然·通訊》上。
01
基于光纖的量子糾纏分發：適宜短距離通訊
糾纏是許多量子應用的基礎。其中技術上最成熟的是量子秘鑰分發（QKD），借助糾纏光子的量子相關性來形成可證明、不可破解的安全秘鑰。
這方面的一個關鍵挑戰是構建連續工作、可靠的長距離糾纏分發。但是，衛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
與衛星鏈路相比，這種優勢可以填補其較高的光子損失。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的城域光纖網路還有一個優勢，就是可以直接聯接許多用戶與精典訊號進行波長復用。但是，光纖中的耗損、糾纏狀態的不健全打算、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定運行。
到明天為止，在布署的光纖中，糾纏分發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。使用主動穩定的糾纏分發最長的不間斷運行，已被證明是順著布署的10公里鏈路工作了6小時。
02
QKD糾纏分發的雙通道配置：連續運行248公里
在這項工作中，德國科學家結合最先進的設備和對偏振光糾纏光子的量子特點的最佳借助，證明了順著布署的聯通光纖248公里距離連續運行的糾纏分發：聯接亞美尼亞的布拉迪斯拉發（）和法國的圣珀爾滕（SanktP?lten），并通過維也納。
248公里的糾纏分發。
實驗中，生成糾纏光子對的源坐落維也納；科學團隊通過用775納米激光器（PL）對非線性晶體（NLC）進行泵浦，用聯接到波分（去）復用器（WDM）的多模光纖（SMF）搜集下轉換的光子，在兩個不同的聯通波長上形成偏振光糾纏的光子對。閑置光子通過色散補償模塊（DCM），DCM非局域地恢復被鏈路上的色散擴大的糾纏狀態的緊密時間相關性。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壓電式偏振光控制器（PPC），假如其質量下滑，它將非局部地重新調整糾纏狀態的相位。以后，它抵達坐落布拉迪斯拉發的PMM，其設計與英國的PMM相同。在這種PMM中，光子被隨機地引導到兩個互不相干的線性偏振光基中的正交檢測。光子撞擊到超導納火鍋單光子偵測器（SNSPD）上，一個由GPS時鐘控制的時間標簽模塊（TTM）記錄檢查時間、測量基礎和結果。通過精典互聯網鏈路，兩個檢測站的偵測風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，維也納就開始進行偏振光對準。
文章表示量子通訊速度，這是迄今為止已知現實世界中基于光纖的糾纏分發的最長距離。
據悉，團隊展示了基于地面的QKD糾纏分發在現實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點。雖然總耗損達到了前所未有的79dB，但平均實現了9s的糾纏對速度和1.4比特/秒的漸進安全秘鑰速度。科學團隊以高效、非局域的形式主動穩定偏振光，使鏈路連續運行了110小時，實現了75%的信噪比，考慮到有限秘鑰效應，總秘鑰為258kbit。
量子比特錯誤率（QBER）和符合計數（）隨時間變化，符合計數為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，原則上就可以創建一個量子安全秘鑰。實驗中的偏振光對準程序準許在整個鏈路運行的110個小時中，共有82個小時的QBER保持在秘鑰創建的狀態。紅線給出了從這82個小時的所有符合風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場數據。更惡劣的天氣條件依然可能造成偏振光甩尾。
03
未來的量子互聯網：長距離、低維護、超穩定
這次實驗中，研究團隊布署了一個高色溫、高保真的聯通波長的糾纏光子對源，以及高檔的SNSPD系統；并在當前最先進的極限條件下運行該鏈路，并展示了一種超穩定的、基于偏振光的光纖內糾纏分發方案：能否在248公里的厚度和110小時的時間跨徑內創建量子安全秘鑰，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成本、超穩定的量子通訊鋪平了公路，不受天氣條件和時間的影響，因而構成了走向量子互聯網的重要一步。雖然這次論文的剖析主要注重于QKD，然而這一新技術對于其他實現方法的性能影響（比如，量子估算或盲估算），仍有待評估，并可能有深遠的影響。
這次工作為分發在長距離光纖上的量子糾纏的各類連續運行的應用鋪平了公路，最主要的是，似乎不限于量子秘鑰分發。
參考文獻：