清華首次實現100公里量子直接通信,有助城際量子直接通信

近日,清華大學團隊首次實現通信距離達到100公里的量子直接通信新系統,這是目前世界上最長的量子直接通信距離,有助於實現無中繼條件下城際量子直接通信。
2016年,清華大學和山西大學聯合團隊完成了量子直接通信的第一個實驗演示。
三年後,龍桂魯教授團隊和清華大學電子系陸建華教授團隊合作,成功研製了國際上第一個量子直接通信系統,實現了1.5公里光纖距離下50bps(比特/秒)的安全通信速率。他們還曾在中關村論壇(中國面向全球科技創新交流合作的國家級平台)發布世界首款實用化量子直接通信樣機,實現了10公里光纖中4Kbps(千比特每秒)的傳輸速率,並將通信距離進一步提升到18公里。

此次,龍桂魯與陸建華教授團隊設計和實現了一種相位量子態與時間戳量子態混合編碼的量子直接通信新系統,量子直接通信距離首次達到100公里,可以在無中繼條件下實現城市之間的點對點量子直接通信,同時可以支撐基於安全經典中繼建立的廣域量子網絡的一些應用。相關成果發表在《Light-Science&Applications》期刊。

實驗裝置,圖片來自論文

實驗裝置,圖片來自論文

在以往的系統中,抽樣檢測和信息傳輸均採用相位量子態。此次,清華團隊研發的新系統採用相位量子態和時間戳量子態的混合編碼。時間戳量子態可用於抽樣檢測,大大降低噪聲影響,通信依然採用具有自補償性能的相位量子態。因此,新系統具有高度的穩定性和極低的本徵誤碼率(即沒有竊聽時的誤碼率),結合具有更強糾錯能力的極低碼率LDBCH編碼,有效提高了安全通信容量、距離和速率。

此外,新系統在50MHz(赫茲)激光脈衝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通信距離達到100公里,突破了之前18公里的最長距離。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到22.4kbps。同時,該系統在激光脈衝頻率上還有提升空間,相應的通信距離、速率將有望進一步提升,滿足部分場景的應用需求。

清華大學張浩然(導師王崇愚院士)、孫臻(導師陸建華院士)為論文共同第一作者。物理系龍桂魯教授和信息國家研究中心殷柳國研究員為共同通信作者。