圖：基于糾纏的自由空間網(wǎng)絡(luò)。標(biāo)準(zhǔn)化的中央定位糾纏服務(wù)器(ES，黑盒子)將糾纏光子送入網(wǎng)絡(luò)。自由空間通道用于連接遙遠(yuǎn)的建筑物和大都市地區(qū)的部分地區(qū)，而光纖連接仍然可以以互補(bǔ)的方式使用，例如，連接到中心建筑物內(nèi)的辦公室。每個(gè)終端用戶都擁有一個(gè)特定于應(yīng)用程序的量子接收器子系統(tǒng)(綠框)。

　　量子通信已經(jīng)迅速發(fā)展到基于量子密鑰分配的實(shí)用大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，這是這一進(jìn)程的先鋒。量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)通常包括一個(gè)發(fā)送者“Alice”和一個(gè)接收者“Bob”，他們從量子測(cè)量中生成一個(gè)共享的秘密，用于安全通信。盡管基于光纖的系統(tǒng)非常適合城域規(guī)模，但合適的光纖基礎(chǔ)設(shè)施可能并不總是完善的。

　　在npj Quantum Information中的新報(bào)告中，Andrej Kr?i?和研究員們開(kāi)發(fā)了一種基于糾纏的自由空間量子網(wǎng)絡(luò)。該平臺(tái)為城域應(yīng)用提供了一個(gè)實(shí)用、高效的替代方案。該團(tuán)隊(duì)介紹了一個(gè)自由空間量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，以展示其在實(shí)際應(yīng)用中的應(yīng)用，并預(yù)期將自由空間網(wǎng)絡(luò)建立為未來(lái)全球量子互聯(lián)網(wǎng)城域應(yīng)用的可行解決方案。

　　量子通信網(wǎng)絡(luò)

　　量子通信的典型目標(biāo)是在兩方或多方之間分發(fā)量子信息。量子網(wǎng)絡(luò)的一系列革命性應(yīng)用為構(gòu)建成熟的量子互聯(lián)網(wǎng)提供了路線圖。本發(fā)明提供了具有不同鏈路和互連的專用子網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的概念推動(dòng)了這一發(fā)展，為其他分布式量子信息處理方法鋪平了道路，從而對(duì)量子網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)成熟度進(jìn)行了基準(zhǔn)測(cè)試。

　　在這項(xiàng)工作中，Kr?i?及其同事描述了一種城域自由空間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，用于在峰會(huì)、會(huì)議和其他活動(dòng)中確保通信安全，并在沒(méi)有端到端光纖連接的情況下，增加了補(bǔ)充現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的容量。量子物理學(xué)家圍繞中央糾纏服務(wù)器構(gòu)建了這個(gè)架構(gòu)，將糾纏光子傳輸給網(wǎng)絡(luò)用戶。

　　他們構(gòu)建了該體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，包括一個(gè)便攜式、高可見(jiàn)度的糾纏光子對(duì)源，適用于具有白天功能專用濾波的大都市應(yīng)用。物理學(xué)家們?cè)?.7公里的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中進(jìn)行了量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，并使用量子安全技術(shù)展示了在夜間和光天化日下實(shí)現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的每秒千字節(jié)速率的能力。

　　基于糾纏的量子網(wǎng)絡(luò)

　　研究人員開(kāi)發(fā)了一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其中糾纏光子源有助于服務(wù)器將糾纏流傳輸?shù)接勺杂煽臻g鏈路構(gòu)建的大都市規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中。科學(xué)家們選擇將糾纏服務(wù)器放置在中央高層建筑中。

　　每個(gè)用戶都擁有一個(gè)量子接收器子系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)量子狀態(tài)的解剖結(jié)構(gòu)，并且該團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入幾個(gè)通過(guò)中央可信模式相互連接的糾纏服務(wù)器來(lái)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)大小，從而將糾纏分發(fā)給用戶。物理學(xué)家期望糾纏服務(wù)器作為一個(gè)方便的接口，將城域自由空間網(wǎng)絡(luò)連接到更大的城際網(wǎng)絡(luò)的光纖骨干。

　　Alice和Bob之間的自由空間量子密鑰分配系統(tǒng)

　　Kr?i?和團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)特定于城域應(yīng)用的量子通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)由在不到一天的時(shí)間內(nèi)在新站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自由空間量子網(wǎng)絡(luò)所需的關(guān)鍵建筑單元組成。該平臺(tái)不需要預(yù)先的基礎(chǔ)設(shè)施，除了電力。該系統(tǒng)類似于網(wǎng)絡(luò)的Alice-Bob部分，其中糾纏服務(wù)器產(chǎn)生一對(duì)810 nm偏振糾纏光子:其中一個(gè)通過(guò)單模光纖發(fā)送給Alice，而B(niǎo)ob使用自由空間鏈路接收另一個(gè)。

　　閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)促進(jìn)了長(zhǎng)期功能，Alice和Bob都擁有一個(gè)量子接收器子系統(tǒng)。Bob的版本有專門設(shè)計(jì)的光譜和空間濾波模塊，可以在白天工作，而Alice的版本不需要專門過(guò)濾日光噪聲。該團(tuán)隊(duì)利用商用無(wú)線電天線實(shí)現(xiàn)了Alice和Bob的量子接收器子系統(tǒng)之間的經(jīng)典信道。

　　夜間和白天的系統(tǒng)性能

　　量子工程師利用該系統(tǒng)在一個(gè)地點(diǎn)和1.7公里外的公共服務(wù)大樓頂部的一個(gè)臨時(shí)集裝箱之間建立了量子連接。他們?cè)谝归g和白天的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了相對(duì)于量子誤碼率和可實(shí)現(xiàn)的安全密鑰率的基準(zhǔn)測(cè)試，背景噪聲相對(duì)較高�？茖W(xué)家們將Bob探測(cè)到的計(jì)數(shù)率分為信號(hào)和背景噪聲貢獻(xiàn)，包括氣象站測(cè)量的太陽(yáng)輻射。

　　該團(tuán)隊(duì)于2022年3月2日進(jìn)行了夜間實(shí)驗(yàn)，以證明在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)平均安全密鑰速率為5.4 Kbps的情況下，量子誤碼率低于2%的穩(wěn)定性能。系統(tǒng)性能差異較大;例如，當(dāng)研究小組將鏈路直接暴露在陽(yáng)光下時(shí)，檢測(cè)到的噪聲率達(dá)到了每秒400千光子(kcps)以上的值。在接下來(lái)的幾個(gè)小時(shí)里，當(dāng)小云層穿過(guò)太陽(yáng)時(shí)，背景噪音降低以恢復(fù)平臺(tái)的性能，因此，它在陽(yáng)光的直接影響下發(fā)生了變化。

　　該團(tuán)隊(duì)模擬了一個(gè)場(chǎng)景，以評(píng)估從糾纏服務(wù)器到Alice和Bob的兩個(gè)獨(dú)立的自由空間鏈路的性能。在夜間，他們注意到安全密鑰速率超過(guò)1.1 kbps。當(dāng)該團(tuán)隊(duì)于2021年7月部署該系統(tǒng)時(shí)，他們?cè)谖挥诘聡?guó)波恩的兩個(gè)相距300米的辦公室之間建立了自由空間量子密鑰分配鏈路，以在夜間和白天實(shí)現(xiàn)相似的密鑰速率。

　　前景

　　通過(guò)這種方式，Andrej Kr?i?和團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于糾纏的自由空間量子網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，作為城域尺度的可行解決方案。他們?cè)诓煌瑮l件下實(shí)現(xiàn)了高達(dá)5.7 kbps的安全速率以促進(jìn)對(duì)城市的全面覆蓋。

　　他們進(jìn)一步探索了高維糾纏，以提高每個(gè)光子的信息容量，提高安全性和對(duì)噪聲的魯棒性。糾纏分布是量子密鑰分發(fā)之外的多個(gè)應(yīng)用的核心，包括量子時(shí)鐘同步和量子加密。