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量子技术实现500米的信息直接安全传送| Science Bulletin

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IMAGE: Science Bulletin 2017年第22期封面:光纤量子安全直接通信实验系统 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

量子保密通信利用量子力学的基本原理实现信息的安全传送,是量子信息技术发展最为迅速的研究领域之一。当前的量子保密通信技术以量子密钥分配为核心,量子信息功能限于密钥的建立和分发,信息的传送依然通过经典方法实现。近年来,这一技术逐渐发展成熟,呈现出与工程技术结合向实用化发展的趋势。与此同时,人们不满足于将量子信息功能仅限于密钥的产生,一直在探索各种基于量子信息的新通信方式,量子安全直接通信(QSDC)是其中代表性的方向之一。最早的QSDC协议基于量子纠缠,是在2000年由清华大学的龙桂鲁教授提出。尽管在理论上已经研究得比较充分,但是实现这一协议所需的量子纠缠贝尔态产生、检测以及量子存储等功能技术上不易实现,特别是考虑到未来在光纤通信网络中的应用,要求这些功能工作在光通信波段,目前尚缺乏成熟的技术。因此,基于纠缠的QSDC在实验上一直未能取得突破性进展。

最近,清华大学的张巍教授团队和南京邮电大学的盛宇波教授基于光纤光学技术首次实现了光纤传送的量子安全直接通信实验,光纤量子信道的长度达到500米。封面展示的是该光纤量子安全直接通信实验系统。

首先,基于清华大学团队在光纤量子光源方面的技术积累,他们针对基于纠缠的QSDC的要求发展出了实现光通信波段偏振纠缠贝尔态产生的量子光源。由于处于偏振纠缠贝尔态的两光子不但偏振纠缠而且频率简并,因此如何将两个光子分离到两个不同光路成为这种量子光源的技术难点。他们巧妙地将光纤中的自发矢量四波混频效应双向地引入到光纤萨格奈特环路中,利用环路输出端的双光子量子干涉现象解决了两光子分离的难题,为实现光通信波段基于纠缠的QSDC创造条件。进一步地,他们采用光纤光学器件构建了偏振纠缠贝尔态检测系统,并利用色散位移光纤作为光子的缓存器,由此构建了完全基于光纤光学技术的量子安全直接通信实验系统。在此基础上成功实现了量子安全直接通信中的两项关键功能——系统纠缠安全检测和纠缠贝尔态编解码,完整地论证了基于纠缠的QSDC协议在光纤传输条件下实现的可行性。

这一工作是第一个完整论证QSDC功能的实验,它采用500米光纤作为量子通道,并且利用光纤光学技术系统地实现了纠缠贝尔态产生、检测以及量子存储等关键功能,表明基于与当代光纤通信兼容的成熟技术完全可以实现面向光纤网络应用的QSDC系统。理论分析表明这种全光纤QSDC方案具有在光纤城域网,接入网以及局域网中应用的潜力。这一工作作为量子通信领域的新进展已获得了广泛关注,被认为是量子安全通信技术走向实际应用的重要一步。

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Feng Zhu, Wei Zhang, Yubo Sheng, Yidong Huang. Experimental long-distance quantum secure direct communication. Science Bulletin, 2017,62(22)1519-1524

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927317305546

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