近日，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)通信距離達(dá)到100公里的量子直接通信新系統(tǒng)，這是目前世界上最長(zhǎng)的量子直接通信距離，有助于實(shí)現(xiàn)無中繼條件下城際量子直接通信。
清華大學(xué)物理系龍桂魯教授于2000年提出量子直接通信的首個(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。三年后，龍桂魯教授團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)電子系陸建華教授團(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1.5公里光纖距離下50bps(比特/秒)的安全通信速率。他們還曾在中關(guān)村論壇(中國(guó)面向全球科技創(chuàng)新交流合作的國(guó)家級(jí)平臺(tái))發(fā)布世界首款實(shí)用化量子直接通信樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了10公里光纖中4kbps(千比特每秒)的傳輸速率，并將通信距離進(jìn)一步提升到18公里。
此次，龍桂魯與陸建華教授團(tuán)隊(duì)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)，量子直接通信距離首次達(dá)到100公里，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。相關(guān)成果發(fā)表在《Light-Science&Applications》期刊。
在以往的系統(tǒng)中，抽樣檢測(cè)和信息傳輸均采用相位量子態(tài)。此次，清華團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新系統(tǒng)采用相位量子態(tài)和時(shí)間戳量子態(tài)的混合編碼。時(shí)間戳量子態(tài)可用于抽樣檢測(cè)，大大降低噪聲影響，通信依然采用具有自補(bǔ)償性能的相位量子態(tài)。因此，新系統(tǒng)具有高度的穩(wěn)定性和極低的本征誤碼率(即沒有竊聽時(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。
此外，新系統(tǒng)在50MHz(赫茲)激光脈沖頻率下將最大可容忍損耗從5.1dB(分貝)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100公里，突破了之前18公里的最長(zhǎng)距離。其通信速率也得到了提升，在30公里光纖距離下通信速率達(dá)到22.4kbps。同時(shí)，該系統(tǒng)在激光脈沖頻率上還有提升空間，相應(yīng)的通信距離、速率將有望進(jìn)一步提升，滿足部分場(chǎng)景的應(yīng)用需求。
清華大學(xué)張浩然(導(dǎo)師王崇愚院士)、孫臻(導(dǎo)師陸建華院士)為論文共同第一作者。物理系龍桂魯教授和信息國(guó)家研究中心殷柳國(guó)研究員為共同通信作者。(完)