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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旦學院院長陸建華團隊合作，設計和實現了一種相位量子態與時間戳量子態混和編碼的量子直接通訊新系統量子傳輸速率，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路一些應用。該成果4月6日在線發表在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展為噪音和監聽信道下的可靠和安全通訊。2016年，復旦學院和江蘇學院聯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、南京郵電學院和復旦學院的相關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，成功研發了國際上第一個量子直接通訊系統，實現了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村峰會發布了世界首款實用化量子直接通訊樣機，實現了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合團隊實現了15個用戶的點對點的量子直接通訊網路。
在先前系統中，抽樣檢查和信息傳輸全部采用相位量子態。而這次的新系統則采用了相位量子態和時間戳量子態的混和編碼，時間戳量子態用于抽樣檢查，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。為此，新系統具有高度的穩定性和極低的本征誤分辨率，即沒有竊聽時的誤分辨率，結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，新系統在激光脈沖頻度上還有大的提高空間，相應的通訊距離、速率有望進一步提高，滿足部份場景的應用需求。
該項研究成果表明，使用現有的成熟技術手段，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路技術，科學家可以建設安全中繼量子網路，支撐多種應用。（來源：中國科學報鄭金武）
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