近日，清華大學(xué)物理系龍桂魯教授團(tuán)隊(duì)與電子系陸建華教授團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種相位量子態(tài)與時(shí)間戳量子態(tài)混合編碼的量子直接通信新系統(tǒng)，通信距離達(dá)到百公里，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前世界最長(zhǎng)的量子直接通信距離。這樣的指標(biāo)可以在無中繼條件下實(shí)現(xiàn)城市之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子直接通信，同時(shí)可以支撐基于安全經(jīng)典中繼建立的廣域量子網(wǎng)絡(luò)的一些應(yīng)用。

2000年，龍桂魯教授提出了量子直接通信的第一個(gè)協(xié)議。量子直接通信以量子態(tài)作載體來編碼和傳輸信息，是量子保密通信的新范式。量子直接通信將噪聲信道下的可靠通信發(fā)展為噪聲和竊聽信道下的可靠和安全通信。2016年清華大學(xué)和山西大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)完成了量子直接通信的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)演示。2017年，中國(guó)科技大學(xué)、南京郵電大學(xué)和清華大學(xué)的相關(guān)團(tuán)隊(duì)分別完成了基于糾纏的量子直接通信演示實(shí)驗(yàn)。2019年，龍桂魯教授團(tuán)隊(duì)和陸建華教授團(tuán)隊(duì)合作，成功研制了國(guó)際上第一個(gè)量子直接通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了1.5km光纖距離下50bps的安全通信速率。2020年，他們?cè)谥嘘P(guān)村論壇發(fā)布了世界首款實(shí)用化量子直接通信樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了10公里光纖中4kbps的傳輸速率，同年他們將通信距離進(jìn)一步提升到了18公里。

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

在以前的系統(tǒng)中，抽樣檢測(cè)和信息傳輸全部采用相位量子態(tài)。新系統(tǒng)采用了相位量子態(tài)和時(shí)間戳量子態(tài)的混合編碼，時(shí)間戳量子態(tài)用于抽樣檢測(cè)，大大降低了噪聲的影響。而通信依然采用具有自補(bǔ)償性能的相位量子態(tài)。因而新系統(tǒng)具有高度的穩(wěn)定性和極低的本征誤碼率（沒有竊聽時(shí)的誤碼率），結(jié)合具有更強(qiáng)糾錯(cuò)能力的極低碼率LDBCH編碼，有效提高了安全通信容量、距離和速率。

新系統(tǒng)在50MHZ激光脈沖頻率下將最大可容忍損耗從5.1dB提升到18.4dB，在商用低損耗單模光纖中的最遠(yuǎn)通信距離達(dá)到了100公里，突破了之前18公里的最長(zhǎng)距離。新系統(tǒng)的通信速率也得到了提高，在30公里的光纖距離，通信速率達(dá)到22.4kbps。新系統(tǒng)在激光脈沖頻率上還有大的提升空間，相應(yīng)的通信距離、速率有望進(jìn)一步提升，滿足部分場(chǎng)景的應(yīng)用需求。

上述成果發(fā)表在期刊《光科學(xué)與應(yīng)用》（Light-Science&Applications）上，論文的共同第一作者為物理系2017級(jí)博士生張浩然和電子系2016級(jí)博士生孫臻，共同通訊作者為物理系龍桂魯教授和信息國(guó)家研究中心殷柳國(guó)研究員。

論文連接：

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00769-w

原標(biāo)題：物理系龍桂魯團(tuán)隊(duì)和電子系陸建華團(tuán)隊(duì)合作實(shí)現(xiàn)一百公里量子直接通信