迈向自由空间量子网络

a) 位于中心位置的标准化纠缠服务器（ES，黑盒子）将纠缠光子流输入网络。自由空间信道用于连接远处的建筑和大都市的部分区域，而光纤连接仍可作为补充方式使用，例如，用于连接中心建筑内的办公室。b) 相应的物理层网络拓扑结构。在量子通信层，网络是一个成对连接的网状结构，因此每个终端用户都可以与任何其他用户通信（未显示）。c) 使用多个 ES 和一个中央可信节点的近期扩展可能性。d) 最终，通过引入纠缠交换，可信节点可以再次变成不可信节点，而整个网络拓扑结构将保持不变。来源：NPJ Quantum Information (2023). DOI: 10.1038/s41534-023-00754-0
 

量子通信以量子密钥分发为先导，迅速发展成为实用的大规模网络。量子密钥分配系统通常包括一个发送方 "Alice "和一个接收方 "Bob"，他们通过量子测量生成共享秘密，以实现安全通信。虽然基于光纤的系统非常适合大城市规模，但合适的光纤基础设施并不总是到位。

在《npj 量子信息》（npj Quantum Information）杂志的一篇新报道中，Andrej Kržič 和一个科学家团队开发了一种基于纠缠的自由空间量子网络。该平台为大都市应用提供了一种实用、高效的替代方案。该团队引入了一个自由空间量子密钥分发系统，以展示其在现实应用中的使用，从而为在未来的全球量子互联网中建立自由空间网络作为城域应用的可行解决方案做好准备。

量子通信网络
量子通信通常旨在在两方或多方之间分发量子信息。量子网络的一系列革命性应用为工程设计全面的量子互联网提供了路线图。本发明提供了一个由具有不同链接和互连的特殊目的子网络组成的异构网络。量子密钥分发网络的概念推动了这一发展，为其他分布式量子信息处理方法铺平了道路，从而为量子网络的总体技术成熟度设定了基准。

在这项工作中，Kržič及其同事描述了一种用于确保峰会、会议和其他活动通信安全的城域自由空间网络架构，在没有端到端光纤连接的情况下，该架构还具有补充现有网络基础设施的额外能力。量子物理学家围绕中央纠缠服务器构建了该架构，将纠缠光子流传输给网络用户。

他们构建了这一架构的关键构件，包括一个适合大都市应用的便携式、高可见度纠缠光子对源，并为日间功能配备了专用滤波器。物理学家们在 1.7 千米的现实场景中进行了量子密钥分发实验，展示了在夜间和光天化日下实现创纪录的每秒千字节速率的能力。

实验装置。纠缠光子源（EPS）充当服务器，在 810 纳米波长处产生一对偏振纠缠光子。每对光子中的一个通过单模光纤发送给爱丽丝，而另一个则通过一个发射器和一个接收器望远镜（Tx 和 Rx）跨越的自由空间链路发送给鲍勃。波长为 1064 nm 的信标激光器（BL）会产生一束参考光束，这束参考光束会在分色镜（DM）上与量子信号结合，并在自由空间链路上与量子信号共同传播。在鲍勃处，由四个位置敏感探测器（4xPSD）组成的专用模块对信标光束进行分析，为两个快速转向镜（FSM）产生反馈信号，进而稳定光束。爱丽丝和鲍勃都拥有一个量子接收子系统（QRS-A 和 QRS-B），用于生成秘钥。为了清楚起见，这里省略了与本实验无关的光学元件。这里显示的自由空间链路是位于德国耶拿的弗劳恩霍夫 IOF 和耶拿市镇之间的 1.7 千米链路。来源：npj Quantum Information (2023)。DOI: 10.1038/s41534-023-00754-0

基于纠缠的量子网络
研究人员开发了一种网络架构，其中的纠缠光子源可帮助服务器将纠缠流传输到由自由空间链路构建的大都市规模的网络中。科学家们选择将纠缠服务器放置在中央高层建筑中。

每个用户都拥有一个量子接收器子系统，用于检测量子态的解剖结构。研究小组通过引入多个纠缠服务器，通过中央信任模式相互连接，将纠缠分发到用户，从而轻松扩展了网络规模。物理学家们希望纠缠服务器能作为一个方便的接口，将一个大都市的自由空间网络连接到一个更大的城际网络的光纤主干上。

爱丽丝和鲍勃之间的自由空间量子密钥分配系统
Kržič 和他的团队开发了一个专门用于大都市应用的量子通信系统，该系统由必要的关键构建单元组成，可在不到一天的时间内在一个新地点实现自由空间量子网络。除了电力供应之外，该平台不需要任何基础设施。该系统类似于网络中的爱丽丝-鲍勃（Alice-Bob）段，其中纠缠服务器在 810 纳米波长处生成一对偏振纠缠光子：其中一个通过单模光纤发送给爱丽丝，而鲍勃则通过自由空间链路接收另一个。

闭环稳定系统有助于实现长期功能，鲍勃和爱丽丝都拥有一个量子接收子系统。鲍勃的版本有专门设计的光谱和空间过滤模块，以便在日光下工作，而爱丽丝的版本则不需要专门过滤日光噪声。研究小组利用商用无线电天线实现了爱丽丝与鲍勃的量子接收子系统之间的经典信道。

自由空间量子密钥分发演示。图中显示了不同链路条件下鲍勃的单光子计数率、量子比特错误率以及相应的安全密钥率。白天的实验（左图）在中午前后开始，链路完全暴露在直射阳光下。随后，由于云层的移动，阳光时强时弱。在夜间实验（右图）中，背景噪声可以忽略不计，因此性能要稳定得多。图中的数值是 5 分钟的平均值，横轴显示的是当地时间。背景颜色与气象站独立测量的太阳辐射相对应（太阳辐射数据：耶拿应用科学大学）。资料来源：npj Quantum Information (2023)。DOI: 10.1038/s41534-023-00754-0

白天和黑夜中的系统性能
量子工程师利用该系统在德国耶拿的一个地点与 1.7 千米外公共服务大楼顶部的一个临时集装箱之间建立了量子链路。他们在背景噪声相对较高的夜间和白天进行了两次实验，根据量子比特错误率和可实现的安全密钥率对系统性能进行了基准测试。科学家们将鲍勃检测到的计数率分为信号和背景噪声两部分，其中包括气象站测量到的太阳辐射。

研究小组于 2022 年 3 月 2 日进行了一次夜间实验，证明了该系统性能稳定，在平均安全密钥速率为 5.4 Kbps 的情况下，几个小时内的量子比特错误率低于 2%。该系统的性能变化幅度较大；例如，当研究小组将链路暴露在直射阳光下时，检测到的噪声率达到每秒 400 千光子数（kcps）以上。在接下来的几个小时里，随着小块云层穿过太阳，背景噪声减小，恢复了平台的性能，因此，它在阳光直射下发生了变化。

研究小组模拟了一个场景，以衡量从纠缠服务器到爱丽丝和鲍勃的两条独立自由空间链路的性能。在夜间，他们注意到安全密钥传输速率超过了 1.1 kbps。2021 年 7 月，研究小组在德国波恩相距 300 米的两个办公室之间建立了自由空间量子密钥分发链路，实现了类似的夜间和白天密钥传输速率。

展望
通过这种方式，安德烈-克日奇和团队开发出了一种基于纠缠的自由空间量子网络架构，作为大都市规模的可行解决方案。他们在不同条件下实现了高达 5.7 kbps 的安全传输速率，表明其有能力全天候运行，以促进城市的全面覆盖。

他们进一步探索了高维纠缠，以提高每个光子的信息容量、安全性和对噪声的鲁棒性。纠缠的分布是量子密钥分布之外的多种应用的核心，包括量子时钟同步和量子密码学。
 

参考链接

Andrej Kržič et al, Towards metropolitan free-space quantum networks, npj Quantum Information (2023). DOI: 10.1038/s41534-023-00754-0

Sheng-Kai Liao et al, Satellite-to-ground quantum key distribution, Nature (2017). DOI: 10.1038/nature23655

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