東芝歐洲的劍橋研究實驗室日前宣佈，首次在長度超過600公里的光纖上進行量子通訊的演示。
基於這一突破，在大城市地區之間實現長距離、量子安全的資訊傳輸將成為可能，它還將成為未來量子網際網路建設的重大進展。
而構建“量子網際網路”最困難的技術挑戰之一，是如何透過長距離光纖進行量子位元的高效傳輸：以往，環境條件的微小變化，比如溫度波動，都容易導致光纖的膨脹和收縮，從而打亂脆弱的量子位元，這些量子位元被編碼為光纖中微弱光脈衝的相位延遲。
現在，東芝透過引入一種新的“雙頻帶”（dual band）穩定技術，演示了記錄量子通訊距離的方法。它傳送兩個不同波長的光參考訊號，以最小化長光纖上的相位波動——第一波長用於抵消快速變化的波動，而與光學量子位相同波長的第二波長用於相位的精細調整。
在運用這些新技術後，東芝公司發現，即使透過長達100公里的光纖傳輸，也可以將量子訊號的光學相位保持在一個波長的幾分之一以內，精度為10奈米。如果不能實時消除這些波動，光纖就會隨著溫度的變化而膨脹或收縮，擾亂量子資訊。
雙頻穩定的第一個應用將是長距離量子金鑰分配(QKD)，它允許使用者透過不受信任的通訊渠道(如網際網路)安全地交換機密資訊(如銀行對賬單、健康記錄、私人電話)。
以往，商用QKD系統只能使用大約100-200公里的光纖。2018年，東芝提出了雙場QKD協議，作為一種延長距離的方式，並使用短光纖和衰減器測試了其對光損耗的彈性。透過引入雙頻帶穩定技術，東芝現在在長光纖上實現了雙場QKD，並首次演示了超過600km的QKD。
在這種技術支援下，研究人員開發的新裝置可令量子通訊距離超555公里，在有限域和漸近域中的金鑰分配距離超過605公里。
這一最新進展擴充套件了量子鏈路的最大跨度，因此無需使用可信的中間節點，就可以將國家和大洲的城市連線起來。與衛星QKD一起實施，它將允許我們建立一個全球量子安全通訊網路。
這一進展的細節最新發表在科學雜誌《自然·光子學》（Nature Photonics）上。這項工作透過H2020專案OpenQKD得到了歐盟的部分資助。團隊現在正在設計建議的解決方案，以簡化它們未來的採用和部署。
在這一最新進展之前，英國電信(BT)和東芝(Toshiba)去年宣佈已安裝英國首個工業量子安全網路。
譯/前瞻經濟學人APP資訊組
參考資料：https://phys.org/news/2021-06-quantum-optical-fibers-exceeding-km.html
https://dx.doi.org/10.1038/s41566-021-00811-0
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