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量子直接通訊距離首次達到100公里。近日，上海量子信息科學研究院副教授、清華學院院長龍桂魯團隊和復(fù)旦學院院長陸建華團隊合作，設(shè)計和實現(xiàn)了一種相位量子態(tài)與時間戳量子態(tài)混和編碼的量子直接通訊新系統(tǒng)量子傳輸速率，通訊距離達到100公里，是當前世界最長的量子直接通訊距離。這樣的指標可以在無中繼條件下實現(xiàn)城市之間的點對點量子直接通訊，同時可以支撐基于安全精典中繼的廣域量子網(wǎng)路一些應(yīng)用。該成果4月6日在線發(fā)表在Light：上。
早在2000年，龍桂魯團隊提出了量子直接通訊的第一個合同。量子直接通訊以量子態(tài)作載體來編碼和傳輸信息，是量子保密通訊的新范式。量子直接通訊將噪音信道下的可靠通訊發(fā)展為噪音和監(jiān)聽信道下的可靠和安全通訊。2016年，復(fù)旦學院和江蘇學院聯(lián)合團隊完成了量子直接通訊的第一個實驗演示。2017年，中國科技學院、南京郵電學院和復(fù)旦學院的相關(guān)團隊分別完成了基于糾纏的量子直接通訊演示實驗。
2019年，龍桂魯團隊和陸建華團隊合作，成功研發(fā)了國際上第一個量子直接通訊系統(tǒng)，實現(xiàn)了1.5km光纖距離下50bps的安全通訊速度。2020年，龍桂魯團隊和陸建華團隊在中關(guān)村峰會發(fā)布了世界首款實用化量子直接通訊樣機，實現(xiàn)了10公里光纖中4kbps的傳輸速度；同年她們將通訊距離進一步提高到了18km。2021年，重慶交通學院和湖南師范學院聯(lián)合團隊實現(xiàn)了15個用戶的點對點的量子直接通訊網(wǎng)路。
在先前系統(tǒng)中，抽樣檢查和信息傳輸全部采用相位量子態(tài)。而這次的新系統(tǒng)則采用了相位量子態(tài)和時間戳量子態(tài)的混和編碼，時間戳量子態(tài)用于抽樣檢查，大大減少了噪音影響。而通訊仍然采用具有自補償性能的相位量子態(tài)。為此，新系統(tǒng)具有高度的穩(wěn)定性和極低的本征誤分辨率，即沒有竊聽時的誤分辨率，結(jié)合具有更強糾錯能力的極低分辨率LDBCH編碼，有效提升了安全通訊容量、距離和速度。
新系統(tǒng)在50MHz激光脈沖頻度下將最大可容忍耗損從5.1dB提高到18.4dB，在商用低耗損多模光纖中的最遠通訊距離達到了100公里，突破了之前18公里的最長距離。新系統(tǒng)的通訊速度也得到了提升，在30公里的光纖距離，通訊速度達到22.4kbps。
量子直接通訊示意圖。受訪者供圖
不過龍桂魯也表示，新系統(tǒng)在激光脈沖頻度上還有大的提高空間，相應(yīng)的通訊距離、速率有望進一步提高，滿足部份場景的應(yīng)用需求。
該項研究成果表明，使用現(xiàn)有的成熟技術(shù)手段，城市間的點對點量子直接通訊可行。龍桂魯表示量子傳輸速率，借助近來上海量子信息科學研究院、清華學院等中英學者提出的安全精典中繼量子網(wǎng)路技術(shù)，科學家可以建設(shè)安全中繼量子網(wǎng)路，支撐多種應(yīng)用。（來源：中國科學報鄭金武）
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