量子通信又一世界纪录：248公里的跨国纠缠分发

光子盒研究院出品

近日，维也纳量子光学和量子信息研究所的研究人员成功在奥地利到斯洛伐克248公里的跨国电信光纤中直接分发偏振纠缠的光子对，这是迄今为止基于真实世界光纤的纠缠分发的最长距离。10月17日，相关成果以《在长达248公里的跨国光纤链路上连续纠缠分发》为题[1]，发表在《自然·通讯》上。

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基于光纤的量子纠缠分发：适合短距离通信

纠缠是许多量子应用的基础。其中技术上最成熟的是量子密钥分发（QKD），利用纠缠光子的量子相关性来产生可证明、不可破解的安全密钥。

这方面的一个关键挑战是建立连续工作、可靠的长距离纠缠分发。然而，卫星链路不支持无中断的操作，而部署的光纤由于损耗迄今被限制在<100公里、几小时的工作时间，或使用可信节点。基于光纤的QKD系统运行稳定，不受气象条件的影响，大大减少了维护工作，直接缓解了有限密钥效应，并可以使用已经部署的电信基础设施。

与卫星链路相比，这些优势可以弥补其较高的光子损失。因此，虽然洲际量子链路最有可能使用卫星来操作，但几百公里的短距离也可以通过光纤链路来覆盖。部署基于纠缠的QKD的城域光纤网络还有一个优势，就是可以直接连接许多用户与经典信号进行波长复用。然而，光纤中的损耗、纠缠状态的不完善准备、色度色散（CD）、偏振模色散和单光子探测的时间精度阻碍了长距离的稳定运行。

到今天为止，在部署的光纤中，纠缠分发的最长距离是沿着马耳他和西西里之间的一条96公里的光纤；此外，同一条海底电缆被用于总共192公里的往返链路。使用主动稳定的纠缠分发最长的不间断运行，已被证明是沿着部署的10公里链路工作了6小时。

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QKD纠缠分发的双通道配置：连续运行248公里

在这项工作中，奥地利科学家结合最先进的设备和对偏振纠缠光子的量子特性的最佳利用，证明了沿着部署的电信光纤248公里距离连续运行的纠缠分发：连接斯洛伐克的布拉迪斯拉发（Bratislava）和奥地利的圣珀尔滕（Sankt Pölten），并通过维也纳。

248公里的纠缠分发。

实验中，生成纠缠光子对的源位于维也纳；科学团队通过用775纳米激光器（PL）对非线性晶体（NLC）进行泵浦，用连接到波分（去）复用器（WDM）的单模光纤（SMF）收集下转换的光子，在两个不同的电信波长上产生偏振纠缠的光子对。闲置光子通过色散补偿模块（DCM），DCM非局域地恢复被链路上的色散扩大的纠缠状态的紧密时间相关性。然后，闲置光子沿着129公里的光纤被引向位于下奥地利州圣珀尔滕的偏振测量模块（PMM）。信号光子通过一个自动化的光纤内压电式偏振控制器（PPC），如果其质量下降，它将非局部地重新调整纠缠状态的相位。之后，它前往位于布拉迪斯拉发的PMM，其设计与奥地利的PMM相同。在这些PMM中，光子被随机地引导到两个互不相干的线性偏振基中的正交测量。光子撞击到超导纳米线单光子探测器（SNSPD）上，一个由GPS时钟控制的时间标签模块（TTM）记录检测时间、测量基础和结果。通过经典互联网链路，两个测量站的探测事件被比较并计算出重合度。如果他们的量子比特错误率增加，维也纳就开始进行偏振对准。

文章表示，这是迄今为止已知现实世界中基于光纤的纠缠分发的最长距离。

此外，团队展示了基于地面的QKD纠缠分发在现实生活中的双通道配置，而其中一个通道跨越了奥地利和斯洛伐克之间的国界，没有任何中间的可信节点。尽管总损耗达到了前所未有的79 dB，但平均实现了9s的纠缠对速率和1.4比特/秒的渐进安全密钥速率。科学团队以高效、非局域的方式主动稳定偏振，使链路连续运行了110小时，实现了75%的占空比，考虑到有限密钥效应，总密钥为258 kbit。

量子比特错误率（QBER）和符合计数（coincident counts）随时间变化，符合计数为tCC=114 ps。

随着时间的推移，只要量子比特错误率（QBER）保持在11%以下，原则上就可以创建一个量子安全密钥。实验中的偏振对准程序允许在整个链路运行的110个小时中，共有82个小时的QBER保持在密钥创建的状态。红线给出了从这82个小时的所有符合事件中计算出的平均密钥率（1.4比特/秒）。

QBER随时间变化的描述以及天气和施工现场数据。更恶劣的天气条件仍然可能导致偏振漂移。

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未来的量子互联网：长距离、低维护、超稳定

此次实验中，研究团队部署了一个高亮度、高保真的电信波长的纠缠光子对源，以及高端的SNSPD系统；并在当前最先进的极限条件下运行该链路，并展示了一种超稳定的、基于偏振的光纤内纠缠分发方案：能够在248公里的长度和110小时的时间跨度内创建量子安全密钥，克服了沿着两条几乎对称的光纤链路总共79 dB的损耗。

这一工作为长距离的低维护成本、超稳定的量子通信铺平了道路，不受天气条件和时间的影响，从而构成了迈向量子互联网的重要一步。尽管此次论文的分析主要侧重于QKD，但是这一新技术对于其他实现方式的性能影响（例如，量子计算或盲计算），仍有待评估，并可能有深远的影响。

此次工作为分发在长距离光纤上的量子纠缠的各种连续运行的应用铺平了道路，最主要的是，或许不限于量子密钥分发。

参考文献：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-33919-0