超低損耗光纖在量子通信中的應(yīng)用作用

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

由此，科學(xué)家便基于量子力學(xué)和密碼學(xué)開(kāi)發(fā)出來(lái)量子密鑰分發(fā)技術(shù)（Quantum Key Distribution，QKD），稱(chēng)為量子保密通信，為信息安全提供了強(qiáng)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(cè)量和不可復(fù)制性，在通信線路的兩端用量子密鑰對(duì)信息加密，信息如果被截獲或者復(fù)制，原有的量子態(tài)會(huì)被破壞，從而使傳輸方知道竊聽(tīng)者的存在，所以量子通信也被稱(chēng)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(zhǎng)距離通信時(shí)，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(jìn)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(zhǎng)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(lái)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(shí)需在纖芯中摻雜來(lái)提高纖芯的折射率，但卻會(huì)導(dǎo)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(lái)的衰減，又可實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(shí)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(duì)于量子通信來(lái)說(shuō)，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(shí)用性量子密鑰分發(fā)技術(shù)最重要的3個(gè)目標(biāo)。那么超低損耗光纖在這幾個(gè)方面表現(xiàn)如何呢？

1）增加安全通行距離

對(duì)于長(zhǎng)距離廣域的量子密鑰分發(fā)，需分成2個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)，首先通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)百千米的量子城域網(wǎng)絡(luò)；然后通過(guò)可信中繼器實(shí)現(xiàn)量子城際網(wǎng)絡(luò)。我國(guó)這一領(lǐng)域的應(yīng)用也同樣走在世界前列，2017年開(kāi)通的京滬量子干線，全長(zhǎng)為2000 km，共使用32個(gè)可信任中繼站，每2個(gè)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(gè)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(gè)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(biāo)，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(dá)一定速率的量子秘鑰分發(fā)才具有商用價(jià)值。成碼率會(huì)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(jiàn)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(dòng)經(jīng)典信號(hào)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(dú)立傳輸。這是因?yàn)榱孔有诺佬盘?hào)強(qiáng)度比經(jīng)典通信信號(hào)的強(qiáng)度小很多，如果量子信道和經(jīng)典信通同時(shí)傳輸，經(jīng)典信道的強(qiáng)信號(hào)產(chǎn)生一系列非線性效應(yīng)嚴(yán)重影響QKD系統(tǒng)的傳輸效果，如信道串?dāng)_、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(shí)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(shí)用與推廣。

目前國(guó)外的歐洲東芝歐洲實(shí)驗(yàn)室、瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)、西班牙馬德里大學(xué)等均開(kāi)展了相關(guān)研究，實(shí)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(shí)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)，中國(guó)電信和科大國(guó)盾合作開(kāi)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(yàn)，該實(shí)驗(yàn)是全球首個(gè)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(zhǎng)距傳輸試驗(yàn)，在超低損耗光纖上實(shí)現(xiàn)了100 km以上單跨傳輸。

因此，經(jīng)過(guò)多個(gè)研究機(jī)構(gòu)對(duì)超低損耗光纖的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與實(shí)踐檢驗(yàn)，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(shì)，必將推動(dòng)量子計(jì)算和量子保密通信領(lǐng)域的快速發(fā)展，并在量子計(jì)算的時(shí)代扮演重要的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。