High-rate continuous-variable quantum key distribution coexisting with Tb/s coherent classical transmission in hollow-core fiber
本文展示了在24.3公里的空芯光纤链路中，高速率连续变量量子密钥分发（CV-QKD）与每秒太比特级相干经典传输的成功共存，在无需光学滤波的情况下，实现了约150 Mb/s的密钥率以及7.2 Tb/s的经典数据传输。
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想象一个这样的世界：你最隐秘的信息并非由复杂的数学谜题锁住，而是由宇宙的基本定律所守护。这就是量子密钥分发（QKD）的承诺——这项技术利用微小光粒子的奇特行为来创建无法破解的代码。如果有人试图窃听这些代码，物理定律将保证信息发生改变，从而立即向发送者发出警报。然而，这里有一个难点：为了发挥作用，这些量子信息需要通过承载我们整个互联网的玻璃光缆进行传输。问题在于，互联网是喧闹且强大的，而量子信号却是极其微弱的耳语。当一段耳语试图在咆哮的喷气发动机旁边穿行时，噪音会将它淹没，使得秘密信息变得无法辨识。
多年来，科学家们一直试图研究如何让这两种截然不同的信号在同一条道路上并肩行驶而不发生碰撞。通常的解决方案是建造特殊的“静音区”或使用沉重的滤波器，但这往往会减慢速度或限制信息的传输距离。核心的问题在于：我们能否建造一条高速公路，让耳语和喷气发动机在并排疾驰时，喷气发动机不会淹没那段耳语？这正是研究团队致力于解决的挑战，其目标是将超安全的量子密钥世界与现代通信的海量数据速度融合在一起。
新高速公路：光的空心管
研究人员发现了一个通过改变“道路本身”来解决噪声问题的巧妙方法。他们没有使用沿用了数十年的标准玻璃纤维，而是使用了一种特殊的“空心”纤维。你可以把它想象成吸管与实心玻璃棒的区别。在普通的纤维中，光线在实心玻璃中传播，这会导致光线与玻璃分子发生碰撞并产生大量的背景噪声（就像收音机里的静电声）。而在这种新型空心纤维中，光线主要在空气中传播，玻璃仅充当一层薄薄的反射壁。因为光线与玻璃的摩擦极少，所以几乎不会产生噪声。这就像是从拥挤嘈ла的地铁车厢切换到了安静且空旷的隧道；即使旁边的喷气发动机在咆哮，耳语依然可以清晰地传播。
秘密握手：使用“幽灵”信号
即便有了安静的隧道，仍然存在一个棘手的问题：量子信号非常微弱，以至于接收端很难准确读取它，尤其是当发送信号的激光发生轻微晃动时。通常，为了解决这个问题，工程师会发送一个单独的“导引”信号来辅助引导，但这会占用宝贵的空间和功率。
该团队想出了一个更聪明的办法。他们留下了一小部分未经过调制的原始激光，就像一个与秘密信息并肩同行的“幽灵”信号。因为这个幽灵信号和秘密信息来自同一束激光，并在同一路径中传输，它们会经历完全相同的晃动和抖动。接收端可以通过观察幽灵信号来了解激光发生了什么变化，并利用这些信息来清理并还原秘密信息。这就像是在狂风暴雨中有一个朋友陪在你身边行走；如果你看到他们踉跄了一下，你就知道风力袭击了他们，因此你可以据此调整自己的步伐，而无需专门去查看天气预报。
大考：在噪声中疾驰
为了验证这个想法是否真的有效，团队搭建了一个真实的测试装置。他们通过24.3公里的这种新型空心纤维，同时发送了一个量子信号和海量的经典互联网数据（即“喷气发动机”）。这些经典数据速度极快，通过将39个不同的信息通道组合在一起，创造了高达7.2 Tbps（太比特每秒）的总速率。这足以同时流式传输数千部高清电影。
尽管有如此庞大的数据在量子信号旁飞速奔流，系统依然运行得非常出色。研究人员成功实现了约153 Mbps（兆比特每秒）的密钥生成速率。换句话说，这个速度足以实时加密海量数据。更令人印象深刻的是，他们展示了该系统可以在经典数据功率提升至极高水平（高达15 dBm）的情况下，依然保证量子信号不被丢失。事实上，他们计算出该系统理论上可以在相当于100公里的距离内工作，这在实际应用方面是一个巨大的飞跃。
为什么这很重要
这项实验证明，我们不必在超高速互联网和超安全量子通信之间做选择。通过使用一种能从源头减少噪声的空心纤维，以及一种能保持信息清晰的聪明“幽灵信号”技巧，研究人员表明这两种技术可以在同一根线缆上共存。虽然目前的测试是在特定距离下进行的，但结果表明，我们正离实现目标更近一步——即未来的全球网络既能拥有惊人的速度，又能具备基础性的安全性，而且无需为每项新技术都铺设全新的电缆。论文指出，这种方法可能是将量子安全集成到未来互联网骨干网中的关键。
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