High-Dimensional Quantum Key Distribution via full Core-mode Encoding over Deployed Multicore Fibers

本文展示了首个在已部署的多芯光纤网络上进行的高维量子密钥分发协议，该协议充分利用了所有可用的芯模进行编码，在现实环境条件下实现了创纪录的每脉冲 $6.19\times 10^{-3}$ 比特密钥率。

要点

想象一下，你正试图在繁忙的城市中向一位朋友发送一条秘密信息。在量子密码学的世界里，这被称为量子密钥分发（QKD）。这是一种创建秘密代码的方法，它在数学上几乎不可能被破解，因为它依赖于物理定律，而非仅仅是复杂的数学。

长期以来，这些秘密信息就像是发送明信片，而每张明信片只能承载一个比特的信息（即简单的“0”或“1”）。这就像是在使用单车道公路；虽然可行，但速度很慢。

这篇论文描述了一项突破，科学家们成功地将这条路从单车道变成了高速公路。以下是他们实现这一目标的原理，通过简单的解释呈现：

1. 问题所在：“混合式”绕路

以往尝试一次发送更多信息（使用“高维”或 HD-QKD）的方法必须绕远路。想象一下，你有一条 4 车道的高速公路（一种内部有 4 条独立路径的特殊光纤电缆），但旧方法并没有同时使用全部 4 条车道，而是只使用了 2 条，并试图通过控制时间（比如在下午 1:00 发送一辆车，而不是在 1:01 发送）来挤入额外的信息。

这种“混合式”方法非常笨拙。这就像你开着一辆赛车，却不得不由于要不停地看表而在每个路口停下来。这浪费了时间，也降低了效率，尤其是在道路颠簸或距离较长的情况下。

2. 解决方案：“全芯”高速公路

智利康塞普西翁大学的研究团队决定不再绕远路。他们使用了一种特殊的四芯光纤电缆（一种在一个护套内包含 4 个不同“车道”或核心的电缆）。

他们没有混合车道和时间，而是同时利用所有 4 条车道来传递信息。

• 类比： 想象你有 4 面不同颜色的旗帜。与其一次只挥动一面旗帜，不如同时挥动全部 4 面，并按照特定的模式进行。这一个单一的模式所携带的信息量，远比只挥动一面旗帜要多得多。
• 结果： 他们成功地在连接不同大学建筑物的真实网络中（有些距离为 200 米，有些达 1.3 公里）发送了这些复杂的“4 车道”信息。

3. 挑战：颠簸的路面

在真实的城市校园环境中传输这些脆弱的量子信息是非常困难的。电缆在地下穿行，经过道路，并在行人附近运行。

• 噪声： 卡车驶过、温度变化以及人们走动都会产生震动。在量子术语中，这就像是风在剧烈摇晃你的旗帜，让你无法分辨正在挥舞的是什么图案。
• 解决方法： 科学家们使用了一个聪明的“稳定化”技巧。他们把这 4 条车道想象成一个合唱团。即使风（震动）让歌手们的音调稍微跑调，但由于所有 4 条车道都包裹在同一个保护护套内，它们会随之同步偏移。科学家们只需要进行微小且快速的调整，就能让合唱团保持和谐。他们发现，在 100 毫秒（眨眼之间）的时间内，信号保持了完美的稳定。

4. 结果：新的速度纪录

他们使用两种类型的“眼睛”（探测器）来测试系统的表现：

1. 标准探测器： 就像普通的眼镜。系统运行良好，证明该系统可以使用廉价的商业技术来实现。
2. 超灵敏探测器： 就像高科技的夜视仪。使用这些探测器时，他们实现了破纪录的速度。

重大胜利：
在信号损耗为 10 dB（这意味着信号显著减弱，类似于长途通话）的情况下，他们实现了 0.00619 比特/脉冲 的密钥率。

• 为什么这很重要： 这比之前此类高速量子通信的最佳纪录快了近两倍。
• 对比： 此前，最好的高速量子系统效率大约只有标准简单量子系统的一半。这种新方法已经缩小了这一差距。现在，它们几乎与最好的简单系统一样快，但同时还具备了每个光子携带更多数据的优势。

总结

你可以将这篇论文看作是：这支团队终于想出了如何在颠簸的城市街道上驾驶一辆 4 车道赛车而不发生碰撞。

• 旧方法： 开着慢车，经常停下来看表（混合编码）。
• 新方法： 利用所有 4 条车道同时驾驶快车，并通过快速调整方向盘来应对颠簸（纯芯模态编码）。

他们证明了，你不需要一个仅限于实验室的完美环境。你可以在真实的大学校园里做到这一点，而且可以比以往任何时候都更快。这为构建真正可以应用于现实世界的、高速且安全的量子互联网铺平了道路。

技术摘要

技术摘要：通过已部署多芯光纤进行全芯模编码的高维量子密钥分发

问题陈述
量子密钥分发（QKD）提供信息论层面的安全性，但传统的基于比特（qubit）的系统受限于较低的噪声容忍度和每个探测光子最多只能产生一个秘密比特的限制。高维（HD）QKD 通过在 $d$ 维希尔伯特空间（$d > 2$）中编码信息来解决这些问题，从而提高错误率阈值和潜在的秘密密钥产量。多芯光纤（MCF）由于其能够支持多个路径（芯）模式，是高维 QKD 的天然基质，但以往的现场演示主要依赖于混合编码策略。这些策略将一部分芯模式与辅助自由度（通常是时间分量/time-bin）相结合。尽管这种方法具有鲁棒性，但会带来内在的效率惩罚：它们降低了相对于激光时钟速率的量子态生成率，并且需要复杂的干涉测量（例如 Franson 型干涉仪），这会导致部分探测到的光子被丢弃。因此，高维 QKD 的理论优势在实际部署的网络中尚未得到充分实现。

方法论
作者在智利康塞普西翁大学（Universidad de Concepción）通过一条永久安装的 MCF 网络，实现了一种四维（$d=4$）纯芯模编码 QKD 协议。与以往的混合方法不同，该系统利用光纤中全部四个可用的芯来编码逻辑状态 $|0\rangle, |1\rangle, |2\rangle, |3\rangle$，从而消除了对时间分量复用的需求。

• 系统架构： 该装置采用准备-测量方案。Alice 使用一个四芯多模分束器（4C-MBS）和相位调制器（PM）来控制各芯模式的相对相位，从而生成四维四进制态（ququarts）。这些状态通过部署的 MCF 网络传输至 Bob，Bob 使用第二个 4C-MBS 和单光子探测器（SPD）进行测量。
• 网络环境： 实验使用了三种不同的链路配置：背靠背（BtB）参考链路、建筑内的 20 厘米链路（P6），以及穿越道路和行人区域的 1.3 公里跨校园链路（PtE）。这些链路受到持续且不受控的环境扰动的影响，包括温度变化和机械振动。
• 稳定与控制： 为了保持各芯之间的相干性，系统采用了相位稳定算法。Alice 的相位调制器通过偏置来补偿传播过程中积累的随机相位漂移，确保目标探测器处产生相长干涉。系统以 100 ms 的采集窗口运行，该时长经确定足以应对环境噪声带来的相位稳定性问题。
• 检测与分析： 系统使用两种探测技术进行了测试：InGaAs 雪崩光电二极管（商用可及，效率约 $\sim7.5\%$）和超导纳米线单光子探测器（SNSPD，效率约 $\sim85\%$）。秘密密钥率是基于双诱骗态方法（Zhang 等人）进行的有限密钥分析进行估算的，该方法避免了对统计涨落进行高斯假设，从而提供严谨的安全边界。

核心贡献

1. 首次实现纯芯模高维 QKD 的现场部署： 本研究展示了第一个在真实世界、不受控条件下，仅使用芯模式进行编码的 $d=4$ 高维 QKD 系统，运行于全安装的 MCF 网络之上。
2. 消除混合编码惩罚： 通过直接利用全部四个芯，该系统避免了时间分量方案带来的生成率惩罚以及时间分量投影干涉仪导致的光子损失。
3. 真实环境下的鲁棒性： 研究表明，MCF 的共包层几何结构有效地抑制了微分相位漂移，使得即使在存在显著环境噪声的情况下，也能实现稳定的量子态传输和高保真度传输（平均保真度 $\bar{F} = 0.96 \pm 0.01$），跨越 1.3 公里的链路。
4. 有限密钥基准测试： 作者提供了可组合的有限密钥率分析，为高维 QKD 在同等信道损耗下建立了新的性能基准。

结果

• 性能指标： 在信道衰减为 10 dB 时，使用 SNSPD 系统实现了 $R = 6.19 \times 10^{-3}$ bits/pulse 的可组合有限密钥率。
• 比较优势： 该速率几乎是此前报道的同等损耗下高维 QKD 最高水平（时间分量实现方案为 $3.1 \times 10^{-3}$ bits/pulse）的两倍，并且是此前混合芯+时间分量现场演示结果的四倍以上。
• 探测器无关性： 系统在使用 InGaAs 和 SNSPD 探测器时均获得了正向秘密密钥率，证实了该系统结合商用硬件的可行性。在 20 dB 的人工衰减下，系统仍表现出正向渐近密钥率。
• 稳定性： QBER 分布在 100 ms 窗口内保持稳定，其波动主要由探测器暗计数和定时抖动引起，而非相位漂移，这验证了被动相位稳定方法的有效性。

意义
论文声称，这一结果确立了芯模编码作为一种切实可行的高速率量子安全通信架构。通过回收在混合方案中损失的编码效率，高维编码的固有优势（更高的噪声容忍度和信息容量）不再被系统开销所抵消。所实现的 $6.19 \times 10^{-3}$ bits/pulse 速率已达到当前最先进的基于比特系统（$8.9 \times 10^{-3}$ bits/pulse）的 1.5 倍以内，表明高维 QKD 已进入具有实际竞争力的阶段。此外，该架构可以直接通过具有更多芯数的 MCF 扩展到更高维度，为未来基于空间复用的城域量子网络提供了路径。