文 | 光子盒GZH
量子通信領域的最新進展凸顯了光相干性在量子網(wǎng)絡發(fā)展中的關鍵作用。這一資源作為量子互聯(lián)網(wǎng)相位架構的核心，不僅促成了多節(jié)點量子網(wǎng)絡的首次成功演示，還顯著拓展了量子密鑰分發(fā)（QKD）的通信距離。然而，基于相干性的量子協(xié)議依賴超穩(wěn)定光腔和低溫光子探測器等專用硬件，使其可擴展性仍存在不確定性。
4月23日，東芝歐洲公司、波蘭波茲南超級計算和網(wǎng)絡中心、英國安格利亞魯斯金大學、荷蘭GIANT Vereniging組成的研究團隊在《Nature》發(fā)表題為“Long-distance coherent quantum communications in deployed telecom networks”（已部署電信網(wǎng)絡中的長距離相干量子通信）的研究論文，Mirko Pittaluga 為論文第一作者兼通訊作者。這是已知首例利用現(xiàn)有商用電信基礎設施實現(xiàn)相干量子通信的報道。
研究團隊在德國法蘭克福與Kehl之間的254公里商用電信網(wǎng)絡上實現(xiàn)了基于相干性的雙場量子密鑰分發(fā)（TF-QKD）協(xié)議，成功以110 bit/s的速率進行加密密鑰分發(fā)。研究通過可擴展的光相干分發(fā)方法、實用化系統(tǒng)架構以及離帶相位穩(wěn)定輔助的非低溫單光子檢測技術，實現(xiàn)了這一成果。實驗表明，該系統(tǒng)在實際網(wǎng)絡環(huán)境中實現(xiàn)了類中繼量子通信，在無需低溫冷卻的情況下將實用QKD的通信距離提升至此前的兩倍。該網(wǎng)絡也是具備測量設備無關特性的最大規(guī)模QKD網(wǎng)絡之一。本研究將基于相干性的量子通信需求與現(xiàn)有電信基礎設施的能力相結合，這對于高性能量子網(wǎng)絡的未來發(fā)展具有重要意義，包括先進量子通信協(xié)議、量子中繼器、量子傳感網(wǎng)絡和分布式量子計算的實現(xiàn)。
光相干性——量子網(wǎng)絡的核心資源
量子網(wǎng)絡可傳輸理論上無法被竊聽的加密信息，其核心原理在于：對量子系統(tǒng)的測量會干擾信號的整體特性，從而暴露竊聽行為。無論量子或經典，密鑰加密都依賴于發(fā)送方和接收方共享的密鑰進行信息加解密。通過量子密鑰分發(fā)（QKD），發(fā)送方和接收方能夠在不安全信道上共享隨機密鑰，任何試圖截獲密鑰的竊聽者都會在光子觀測中引發(fā)異常，從而被檢測到。據(jù)光子盒研究院《2025全球量子安全產業(yè)發(fā)展展望》預測，到2035年全球量子密鑰分發(fā)市場規(guī)模將增長至55.58億美元。
其中，光相干性是構建量子網(wǎng)絡的核心資源。基于相位的量子互聯(lián)網(wǎng)架構依賴光相干性實現(xiàn)多節(jié)點糾纏和量子密鑰分發(fā)（QKD），例如雙場QKD（TF-QKD）協(xié)議可突破無中繼密鑰容量限制，將通信距離擴展至數(shù)百公里。然而，傳統(tǒng)相干協(xié)議依賴超穩(wěn)定光腔和低溫超導納米線單光子探測器（SNSPD），這些專用硬件難以融入商用電信環(huán)境，限制了規(guī)?；瘧谩?/p>
隨著量子網(wǎng)絡向實用化邁進，開發(fā)與現(xiàn)有電信基礎設施兼容的相干通信技術至關重要。本文聚焦如何在無需專用低溫設備的前提下，通過可擴展架構和非低溫探測器（如雪崩光電二極管APD），在真實商用網(wǎng)絡中實現(xiàn)長距離相干量子通信，為突破技術瓶頸提供了新路徑。
構建兼容商用網(wǎng)絡的相干量子通信系統(tǒng)
- 系統(tǒng)架構與核心技術
實驗構建了三節(jié)點星型網(wǎng)絡，包括兩個發(fā)送端（Alice/Bob）和一個中繼接收端（Charlie），通過254公里光纖連接法蘭克福與Kehl，模擬真實電信環(huán)境。系統(tǒng)分為三層架構：
圖1：已部署的相干量子通信系統(tǒng)。
服務層：中央節(jié)點Charlie通過服務光纖向發(fā)送端分發(fā)雙光頻參考信號，實現(xiàn)激光頻率鎖定，消除相位噪聲。該設計避免了傳統(tǒng)超穩(wěn)定激光器的復雜性，通過商用光纖和波分復用（DWDM）技術實現(xiàn)低成本相位參考分發(fā)。
管理層：通過現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和服務器實現(xiàn)節(jié)點間同步與設備控制，確保納秒級時間同步精度，支撐高速量子信號處理。
量子層：執(zhí)行TF-QKD協(xié)議，發(fā)送端利用光注入鎖定（OIL）技術將本地激光器鎖定至參考頻率，生成弱相干脈沖（WCP）；接收端通過APD探測器實現(xiàn)非低溫單光子檢測，結合離帶相位穩(wěn)定技術抑制光纖相位噪聲。
- 相位穩(wěn)定與噪聲抑制
粗相位穩(wěn)定方面，通過離帶信號λ_s的干涉反饋，利用鈮酸鋰相位調制器實時補償光纖相位漂移，將相位噪聲標準差從8256 rad/s降至2.2 rad/s。
精相位穩(wěn)定方面，在Bob端引入光纖拉伸器，針對協(xié)議信號λ_0進行細調，進一步將相位噪聲降至0.47 rad/s，確保雙路信號相位差穩(wěn)定在0.1 rad以內。
極化穩(wěn)定方面，通過自動極化控制機制，維持正交極化分量強度對比度達21 dB，抵消地下光纖的溫度漂移影響，提升信號傳輸穩(wěn)定性。
圖2：光信號的路由。
- 協(xié)議實現(xiàn)與安全機制
采用“發(fā)送-不發(fā)送”型TF-QKD協(xié)議，結合四強度誘騙態(tài)方法（s, n, u, v）和主動奇奇偶校驗后處理技術，提升密鑰生成速率并抑制光子數(shù)分裂攻擊。通過高斯近似和有限密鑰效應分析，確保在不對稱鏈路條件下的安全密鑰提取，理論模型匹配實驗數(shù)據(jù)，驗證了協(xié)議在真實噪聲環(huán)境中的可行性。
實驗方案
研究使用GéANT網(wǎng)絡的253.9公里商用單模光纖，含56 dB損耗，中間在Kirchfeld設置中繼節(jié)點，形成不對稱鏈路（Alice-Charlie: 156.7 km，Bob-Charlie: 97.2 km）。探測器采用-30°C熱電冷卻APD替代低溫SNSPD，盡管暗計數(shù)率較高（約10^3 counts/s），但成本降低1-2個數(shù)量級，且兼容標準電信機架，為規(guī)?；渴鸬於ɑA。信號調制上，發(fā)送端通過強度和相位調制器生成120 ps脈寬、1 GHz重復率的弱相干脈沖，編碼四強度信號（s, n, u, v），接收端利用時間標記器記錄單光子事件時間，精度達納秒級。
Charlie的主激光器（L_s, L_0）生成1551.72 nm和1550.12 nm信號，經服務光纖傳輸后，發(fā)送端通過OIL技術鎖定本地激光器，實現(xiàn)跨節(jié)點相位同步，鏈路光程差通過120 km延遲光纖補償，確保相干長度匹配。在實驗室和現(xiàn)場環(huán)境中對比極化漂移，發(fā)現(xiàn)地下光纖的自然溫度穩(wěn)定性優(yōu)于實驗室可控環(huán)境，12小時內正交極化強度漂移小于4%，驗證了商用光纖的實用性。通過公共信道公布干涉結果，執(zhí)行參數(shù)估計和密鑰篩選，利用主動奇奇偶校驗降低誤碼率，最終在7.5小時連續(xù)運行中實現(xiàn)110.1 bits/s的密鑰速率，量子比特誤碼率控制在4.61%-5.84%。
圖3：偏振漂移和穩(wěn)定。
圖4：通道的相位穩(wěn)定。
圖5：密鑰率。
自由漂移信號的干涉可見度達99.09%，粗穩(wěn)定后降至97.15%，表明系統(tǒng)在復雜環(huán)境中仍保持高相干性。實驗結果超過基于相同探測器效率的無中繼密鑰容量上限（noisy SKC0），接近單中繼理論極限（SKC1），證明相干協(xié)議在長距離中的優(yōu)勢。
邁向實用化量子網(wǎng)絡的關鍵一步
· 無需低溫冷卻器的可擴展量子網(wǎng)絡
科學家曾普遍認為，實現(xiàn)量子網(wǎng)絡需要昂貴設備，如低溫冷卻器。如今，這項新研究表明，“量子網(wǎng)絡在近期可能變得更具可擴展性和實用性”，論文一作Pittaluga表示。
研究首次在商用網(wǎng)絡中實現(xiàn)254公里TF-QKD，無需低溫設備，密鑰速率達110 bits/s，為同類技術的2倍以上，且成本降低兩個數(shù)量級。此外，兼容性方面，系統(tǒng)硬件（APD、商用光纖、標準機架）與現(xiàn)有電信基礎設施無縫集成，極化穩(wěn)定性和相位控制技術適用于地下、架空等多種部署場景。
性能指標上，研究通過雙級穩(wěn)定機制將相位漂移控制在0.47 rad/s，為協(xié)議執(zhí)行提供了低噪聲環(huán)境。基于測量設備無關特性，抵御探測器側信道攻擊，密鑰生成速率滿足AES-256密鑰每秒刷新需求，適用于金融、政務等高頻加密場景。
星型架構支持節(jié)點無縫擴展，為構建城市級量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡提供了模板。通過調整光頻分發(fā)和相位穩(wěn)定參數(shù)，可兼容衛(wèi)星鏈路、海底光纜等長距離傳輸場景，為未來全球量子通信網(wǎng)絡奠定基礎。
· 非低溫檢測技術的突破
為克服光纖信號損耗，高性能量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)常使用高靈敏度的超導納米線單光子探測器。新系統(tǒng)采用基于半導體的雪崩光電二極管（APD）進行單光子檢測，成本比超導探測器低1-2個數(shù)量級，且無需昂貴的低溫設備。
然而，APD的光子檢測效率約為超導探測器的1/4至1/6，且誤檢率高出數(shù)百倍。為解決這一問題，新系統(tǒng)在傳輸量子數(shù)據(jù)光束的同時發(fā)送參考激光脈沖，并在接收端使用兩組雪崩光電二極管：一組執(zhí)行量子通信協(xié)議，另一組分析參考光束。研究發(fā)現(xiàn)，這種設計可校正由溫度、振動和光纖擾動引起的噪聲。
理論方面，研究驗證了光相干性在非理想環(huán)境中的可擴展性，證明商用硬件可替代專用低溫設備，推動量子通信從實驗室走向工程化。所提出的離帶相位穩(wěn)定和多強度誘騙態(tài)方法，為后續(xù)量子中繼、分布式量子計算提供了關鍵技術參考。
本文通過在真實商用網(wǎng)絡中驗證長距離相干量子通信，證明現(xiàn)有電信基礎設施可支撐高性能量子密鑰分發(fā)，標志著量子通信從依賴專用硬件向兼容商用基礎設施的關鍵轉變，為未來規(guī)?；渴鸢踩咝У牧孔泳W(wǎng)絡奠定了基礎。
邁向千兆赫茲速率
科學家面臨的另一挑戰(zhàn)是將所有組件集成到長期穩(wěn)定運行的系統(tǒng)中?！霸趯嶒炇艺{試經歷了無數(shù)個不眠之夜，”Pittaluga說，“但緊密的團隊合作和對簡潔性的追求幫助我們挺了過來?！?/p>
總體而言，新系統(tǒng)將無低溫冷卻的實用量子密鑰分發(fā)距離提升至此前研究的兩倍，盡管其密鑰傳輸速率僅為110 bit/s。“將密鑰分發(fā)速率提升至110 bit/s以上是下一步，工程和研究層面均有途徑實現(xiàn)，”Pittaluga表示，“例如，一個直接的改進是提高協(xié)議的編碼速率。目前我們運行在500兆赫茲，利用現(xiàn)有技術提升至幾千兆赫茲觸手可及，僅此一項即可使密鑰速率提高約10倍。”
從長遠來看，量子中繼器是一個有前景的方向，研究界正在積極探索。“它們將顯著擴展安全量子鏈路的距離和性能，”他指出。不過，Pittaluga強調：“需要注意的是，每秒數(shù)百比特的密鑰生成速率未必是限制，具體取決于應用場景。在許多實際場景中，例如使用量子密鑰定期刷新經典對稱加密系統(tǒng)，這一速率其實已足夠?！?/p>
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-025-08801-w
[2]https://spectrum.ieee.org/quantum-key-distribution-commercial-fiber
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