長距離量子保密通信的關(guān)鍵—超低損耗光纖

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信的安全問題日益顯著。計算機的算力不斷提升，傳統(tǒng)的加密方法面臨巨大的風險，在量子計算機的破譯之下將不堪一擊。

由此，科學家便基于量子力學和密碼學開發(fā)出來量子密鑰分發(fā)技術(shù)（Quantum Key Distribution，QKD），稱為量子保密通信，為信息安全提供了強有力的保障。

量子保密通信的原理是利用量子態(tài)的不可測量和不可復(fù)制性，在通信線路的兩端用量子密鑰對信息加密，信息如果被截獲或者復(fù)制，原有的量子態(tài)會被破壞，從而使傳輸方知道竊聽者的存在，所以量子通信也被稱為完全安全的數(shù)據(jù)傳輸方案。

然而，量子保密技術(shù)，在超長距離通信時，卻面臨諸多挑戰(zhàn)。

量子態(tài)的單光子不可分割、不可復(fù)制，不能像傳統(tǒng)通信那樣進行復(fù)制放大，極大限制了光纖中的量子密鑰分發(fā)距離。因此以單光子技術(shù)為基礎(chǔ)的量子保密通信，傳輸距離很大程度上取決于線路中的損耗，更低衰減的光纖是延長傳輸距離的有效方式。

因此，超低損耗光纖在量子通信中的應(yīng)用將變得至關(guān)重要。

那么，什么是超低損耗光纖？

光纖的損耗主要來自于纖芯材料的瑞利散射損耗和吸收損耗。傳統(tǒng)光纖在制造時需在纖芯中摻雜來提高纖芯的折射率，但卻會導致較高的瑞利散射和光纖衰減。而超低損耗光纖在纖芯中使用純二氧化硅，包層摻雜降低折射率，這樣既減小了纖芯瑞利散射帶來的衰減，又可實現(xiàn)信號光全反射的傳輸。

圖1為常規(guī)摻鍺纖芯光纖和純硅纖芯光纖的折射率分布示意。使用純硅芯技術(shù)實現(xiàn)了光纖衰減的降低，如康寧公司的SMF－28? ULL（Ultra LowLoss，超低損耗）純硅芯光纖，1550 nm處的衰減可以降低至0.16 dB／km（常規(guī)光纖為0.20 dB／km）。

超低損耗光纖在量子通信中的應(yīng)用

對于量子通信來說，增加安全通信距離、提高安全成碼率和提高系統(tǒng)的安全性，是實用性量子密鑰分發(fā)技術(shù)最重要的3個目標。那么超低損耗光纖在這幾個方面表現(xiàn)如何呢？

1）增加安全通行距離

對于長距離廣域的量子密鑰分發(fā)，需分成2個步驟實現(xiàn)，首先通過光纖實現(xiàn)百千米的量子城域網(wǎng)絡(luò)；然后通過可信中繼器實現(xiàn)量子城際網(wǎng)絡(luò)。我國這一領(lǐng)域的應(yīng)用也同樣走在世界前列，2017年開通的京滬量子干線，全長為2000 km，共使用32個可信任中繼站，每2個中繼站之間的平均距離為62.5 km。而如果采用超低損耗光纖，能夠提升每個中繼站之間的距離，理論上需要的可信中繼站更少（如圖3所示）。中繼站數(shù)量的減少一方面可以減少設(shè)備的投入；另一方面也減少了整個鏈路的潛在安全隱患（可信任中繼站是量子保密技術(shù)中安全較為薄弱的環(huán)節(jié)），提高了鏈路的整體安全性能。

2）增加成碼率

量子通信的密鑰生成速率即成碼率是衡量QKD系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標，高的成碼率可以加密更多的數(shù)據(jù)，形成更復(fù)雜的加密體系，而且只有到達一定速率的量子秘鑰分發(fā)才具有商用價值。成碼率會隨著距離增加而呈指數(shù)衰減。超低損耗光纖在同樣的傳輸距離內(nèi)的衰減更低（見圖5），因此在系統(tǒng)配置相同的情況下能夠提供更高的成碼率。如100 km的距離，采用超低損耗光纖比普通光纖的鏈路衰減低3 dB左右，顯著提高了系統(tǒng)密鑰成碼率。

3）推動經(jīng)典信號與光纖的共纖傳輸?shù)纳虡I(yè)化

基于單光子技術(shù)的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，量子信道和經(jīng)典信道分別從不同的光纖獨立傳輸。這是因為量子信道信號強度比經(jīng)典通信信號的強度小很多，如果量子信道和經(jīng)典信通同時傳輸，經(jīng)典信道的強信號產(chǎn)生一系列非線性效應(yīng)嚴重影響QKD系統(tǒng)的傳輸效果，如信道串擾、拉曼散射、自發(fā)輻射。而量子通信與經(jīng)典光傳輸系統(tǒng)如果能實現(xiàn)共纖傳輸，能夠大大降低量子保密通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，有利于量子保密通信的實用與推廣。

目前國外的歐洲東芝歐洲實驗室、瑞士日內(nèi)瓦大學、西班牙馬德里大學等均開展了相關(guān)研究，實現(xiàn)了千兆光通信、10 G波分系統(tǒng)和QKD量子信道復(fù)用光纖的實驗。國內(nèi)，中國電信和科大國盾合作開展了相關(guān)研究，完成了百兆、千兆光通信以及波分系統(tǒng)等和QKD量子信道共用光纖的試驗，該實驗是全球首個商用量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)與商用8 Tbps（80×100 Gbps）大容量密集波分復(fù)用系統(tǒng)共纖超長距傳輸試驗，在超低損耗光纖上實現(xiàn)了100 km以上單跨傳輸。

因此，經(jīng)過多個研究機構(gòu)對超低損耗光纖的實驗測試與實踐檢驗，超低損耗光纖在增加安全通信距離、提高安全成碼率和提高系統(tǒng)的安全性都具有明顯優(yōu)勢，必將推動量子計算和量子保密通信領(lǐng)域的快速發(fā)展，并在量子計算的時代扮演重要的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。