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在当今日益网络化的社会中，量子密码学已经成为保证传输数据安全的传统密码学的一种有前途的替代方法。无论如何，量子物理定律确保加密密钥可以在用户之间短距离完全保密地交换。然而，在光纤中，损耗随着传输距离的增加而增加，并且用光中继器增强信号会干扰其量子性质，从而危及安全。瑞士日内瓦大学量子技术研究小组、ID Quantique SA和康宁公司之间的研究合作现在已经克服了一些限制。该小组已经演示了一种基于光纤的量子密码方案，其在光纤上的传输距离达到创纪录的421公里，并且运行速度比之前的方案快得多(Phys. Rev. Lett., doi: 10.1103/PhysRevLett.121.190502)。在工作过程中，研究人员优化了量子密钥分配（QKD）系统的各个部分——信号产生、传输和检测。他们认为，这项努力最终可以实现更便宜，更实用的系统，这些系统是商业上可行的传统技术的替代品。

自从1989年第一次展示以来，QKD已经改进了很多，并且商用系统已经上市。目前的研究重点是扩大其传输距离，这受到光纤中的散射和吸收的限制。这些损耗减少了光子到达接收器的机会，并且随着距离呈指数增加。传统的光学中继器不能再生量子信号，因此信号下降，探测器噪声占主导地位，并且不再能够从背景中提取形成安全协议关键的量子密钥。即使在理想情况下，探测器噪声消失的，系统的稳定性以及用户等待获得足够密钥的时间也是其限制因素。因此，增加光子脉冲速率和最大化探测器的效率可以延长QKD系统的传输距离。由日内瓦大学领导的研究小组首先利用相位随机化的二极管激光器将量子态的的生成速率提高到2.5GHz。使用量子随机数发生器随机地选择量子位态。为了传输信号，研究人员使用具有纯二氧化硅芯和氟掺杂包层的超低损耗单模光纤线，包括连接损耗衰减约为0.17 dB / km。该团队还补偿了色散。在信号检测方面，研究小组使用了两个定制的硅化钼超导纳米线单光子探测器（SNSPD），冷却到0.8K以降低噪声。究小组也滤除了来自光纤的黑体辐射噪。这一步骤将探测器的暗计数率降低到0.1Hz，比类似的商用探测器低两个数量级。最后一个难题是研究人员对量子信号的新编码方法。他们的单次诱骗态方案是对已经证实是安全的三状态协议的修改，并且被拿来专门开发在保持效率的同时简化实验设置。

根据作者们报告说，这些新技术结合在一起，使得密钥接收速率与以前404公里的距离记录（使用不同的、与测量设备无关的QKD配置）中实现的速率相比提高了4个数量级。研究人员连续运行该系统超过24小时，通过控制软件监测相位稳定和时间校准，以证明其具有稳定密钥传输速率的长期运行能力。对于诸如此类的基于光纤的QKD系统的传输距离的进一步显着增加可能是不可行的。随着距离的增加，抵消探测到的光子数呈指数减少，意味着累积时间或者脉冲重复率指数地增加。（克服这种潜在上限的一种方法是开发一种“量子中继器”来处理光学中继器在传统的长距离光纤系统中所起的作用；开发这种中继器是当前研究的一个活跃领域。）此外，尽管作者进行了改进，但是测量设备无关的QKD更安全。然而，根据安全性、距离和密钥速率的相对需要，日内瓦领导的团队的更简单方法的改进可以使其成为特定应用的首选方法。结果表明，该方案具有在城市间进行量子通信或在城域网中进行数字电话的潜力。

来源： Optics Photonics

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