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长距离量子保密通信的关键——超低损耗光纤

随着信息技术的快速发展,网络通信的安全问题日益显著。计算机的算力不断提升,传统的加密方法面临巨大的风险,在量子计算机的破译之下将不堪一击。

由此,科学家便基于量子力学和密码学开发出来量子密钥分发技术(Quantum Key Distribution,QKD),称为量子保密通信,为信息安全提供了强有力的保障。

量子保密通信的原理是利用量子态的不可测量和不可复制性,在通信线路的两端用量子密钥对信息加密,信息如果被截获或者复制,原有的量子态会被破坏,从而使传输方知道窃听者的存在,所以量子通信也被称为完全安全的数据传输方案。

然而,量子保密技术,在超长距离通信时,却面临诸多挑战。

量子态的单光子不可分割、不可复制,不能像传统通信那样进行复制放大,极大限制了光纤中的量子密钥分发距离。因此以单光子技术为基础的量子保密通信,传输距离很大程度上取决于线路中的损耗,更低衰减的光纤是延长传输距离的有效方式。

因此,超低损耗光纤在量子通信中的应用将变得至关重要。

那么,什么是超低损耗光纤?

光纤的损耗主要来自于纤芯材料的瑞利散射损耗和吸收损耗。传统光纤在制造时需在纤芯中掺杂来提高纤芯的折射率,但却会导致较高的瑞利散射和光纤衰减。而超低损耗光纤在纤芯中使用纯二氧化硅,包层掺杂降低折射率,这样既减小了纤芯瑞利散射带来的衰减,又可实现信号光全反射的传输。

图1为常规掺锗纤芯光纤和纯硅纤芯光纤的折射率分布示意。使用纯硅芯技术实现了光纤衰减的降低,如康宁公司的SMF-28® ULL(Ultra LowLoss,超低损耗)纯硅芯光纤,1550 nm处的衰减可以降低至0.16 dB/km(常规光纤为0.20 dB/km)。

超低损耗光纤在量子通信中的应用

对于量子通信来说,增加安全通信距离、提高安全成码率和提高系统的安全性,是实用性量子密钥分发技术最重要的3个目标。那么超低损耗光纤在这几个方面表现如何呢?

1)增加安全通行距离

对于长距离广域的量子密钥分发,需分成2个步骤实现,首先通过光纤实现百千米的量子城域网络;然后通过可信中继器实现量子城际网络。我国这一领域的应用也同样走在世界前列,2017年开通的京沪量子干线,全长为2000 km,共使用32个可信任中继站,每2个中继站之间的平均距离为62.5 km。而如果采用超低损耗光纤,能够提升每个中继站之间的距离,理论上需要的可信中继站更少(如图3所示)。中继站数量的减少一方面可以减少设备的投入;另一方面也减少了整个链路的潜在安全隐患(可信任中继站是量子保密技术中安全较为薄弱的环节),提高了链路的整体安全性能。

2)增加成码率

量子通信的密钥生成速率即成码率是衡量QKD系统性能优劣的重要指标,高的成码率可以加密更多的数据,形成更复杂的加密体系,而且只有到达一定速率的量子秘钥分发才具有商用价值。成码率会随着距离增加而呈指数衰减。超低损耗光纤在同样的传输距离内的衰减更低(见图5),因此在系统配置相同的情况下能够提供更高的成码率。如100 km的距离,采用超低损耗光纤比普通光纤的链路衰减低3 dB左右,显著提高了系统密钥成码率。

3)推动经典信号与光纤的共纤传输的商业化

基于单光子技术的量子密钥分发系统中,量子信道和经典信道分别从不同的光纤独立传输。这是因为量子信道信号强度比经典通信信号的强度小很多,如果量子信道和经典信通同时传输,经典信道的强信号产生一系列非线性效应严重影响QKD系统的传输效果,如信道串扰、拉曼散射、自发辐射。而量子通信与经典光传输系统如果能实现共纤传输,能够大大降低量子保密通信网络建设成本,有利于量子保密通信的实用与推广。

目前国外的欧洲东芝欧洲实验室、瑞士日内瓦大学、西班牙马德里大学等均开展了相关研究,实现了千兆光通信、10 G波分系统和QKD量子信道复用光纤的实验。国内,中国电信和科大国盾合作开展了相关研究,完成了百兆、千兆光通信以及波分系统等和QKD量子信道共用光纤的试验,该实验是全球首个商用量子密钥分发系统与商用8 Tbps(80×100 Gbps)大容量密集波分复用系统共纤超长距传输试验,在超低损耗光纤上实现了100 km以上单跨传输。

因此,经过多个研究机构对超低损耗光纤的实验测试与实践检验,超低损耗光纤在增加安全通信距离、提高安全成码率和提高系统的安全性都具有明显优势,必将推动量子计算和量子保密通信领域的快速发展,并在量子计算的时代扮演重要的网络基础设施。

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