Proof-of-principle long-distance Sagnac twin-field quantum key distribution network
本文展示了首个跨越127公里的三用户对长距离萨格纳克（Sagnac）双场量子密钥分发网络的实验演示，该网络实现了稳定的高可见度干涉以及无需主动相位稳定或后补偿的安全性密钥率。
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想象一个两个人可以共享一段物理上无法被窃取的秘密代码的世界。这就是量子密钥分发（Quantum Key Distribution）所承诺的愿景，这是一种利用单个光粒子来创建安全链路的通信方法。如果窃贼试图在信息传输过程中窥视信息，物理定律将确保信息发生改变，从而提醒发送者和接收者线路已被破坏。几十年来，科学家们已成功在两个遥远的点之间建立了这种安全链路。然而，现实世界并非由简单的点对点连接组成，而是一个复杂的城市与城镇相互连接的网络。为了让这项技术造福大众，我们必须从连接两个朋友转向构建一个能够连接许多人的网络，同时还要保持信号在数百公里的光纤电缆中依然强劲。
构建此类网络的挑战在于，光信号在穿过玻璃纤维时会逐渐衰减。过去，扩展这些安全连接需要昂贵且精密的设备来不断修正信号，或者只能局限于极短的距离。一种被称为“双场量子密钥分发”（Twin-Field Quantum Key Distribution）的新方法提供了一种向更远距离发送信号的方式，即让两名用户将各自的光发送到一个中央站并在中间汇合。虽然这种方法在实验室中展现出了巨大的潜力，但大多数演示仅限于两个用户，或者需要复杂的、主动的系统来稳定信号。问题在于：能否在一个真正的多用户网络中，在不需要持续的高科技干预的情况下，实现长距离的运行？
一支研究团队现在通过构建一个跨越127公里的三用户量子网络原型，回答了这个问题。他们在最近的一项研究中描述了这项实验，证明了利用相对简单且经济的设备，在环形网络中的任意两名用户之间生成安全密钥是可行的。该团队并没有依赖复杂的、主动的系统来不断调整光的相位，而是使用了一种被称为萨格纳克干涉仪（Sagnac Interferometer）的巧妙布局。这种设置允许光沿着环路两个方向传播，并在中心汇合。由于光通过相同的纤维进行双向传输，系统能够自然地抵消掉许多通常会破坏信号的干扰，例如温度变化或震动。这种“即插即用”的特性意味着该网络可以保持稳定，而无需进行主动的相位稳定或后补偿，而这些通常是长距离实验所必需的。
研究人员通过将三位用户——爱丽丝（Alice）、鲍勃（Bob）和丹尼（Danny）连接成一个环形网络来搭建系统。所使用的光纤电缆总长度为127公里，由四个超低损耗光纤大卷盘组成。在用户与中央站之间，距离各不相同，形成了一个非对称网络，其中某些路径比其他路径更长，就像真实的城市网格一样。为了处理光在纤维内部反射时产生的噪声，团队使用了一种称为“脉冲模式化”（Burst Patterning）的技术。这涉及将光以短促、定时脉冲的形式发送，而非连续流，这有助于将有用信号与背景噪声分离。他们还实施了一个保持光偏振态对齐的系统。由于光波的取向在穿过纤维时可能会发生漂移，团队使用电子控制器不断监测并调整光，确保其在两路汇合时处于正确的状态以产生干涉。
在长达一小时的过程中，该系统展示了卓越的稳定性。研究人员测量了光波相互干涉的效果，即被称为“可见度”（Visibility）的数值，发现其稳定保持在93%。这种高水平的稳定性至关重要，因为它确保了可以在没有过多误差的情况下生成安全密钥。团队成功地为两组不同的用户对生成了安全密钥。在第一种场景中，爱丽丝和鲍勃通过一条102公里的通道进行通信，总信号损耗为45分贝。尽管存在如此显著的损耗，他们仍实现了每脉冲1.398 × 10⁻⁵比特的安全密钥率。在第二种场景中，爱丽丝和丹尼通过一条77公里的通道进行通信，损耗为34分贝，并获得了更高的密钥率。实验还考虑了收集数据的有限性，表明即使在数据量有限的情况下也能生成安全密钥，这是实际部署中的关键要求。
这项成就之所以特别显著，在于其所使用的设备。整个网络运行使用的是单光子雪崩探测器，这是标准的、商业可用的组件，而非长距离量子实验中通常需要的昂贵且复杂的超导探测器。此外，该系统使用单一的商用激光器，且不需要用户将激光锁定到特定频率，这一过程通常需要复杂的硬件。通过证明多用户网络可以在长距离光纤中运行且无需主动相位稳定，研究人员为更实用、更具成本效益的量子通信未来指明了道路。这项工作表明，实现广泛的、安全的量子互联网不仅是一个理论上的可能性，更是一个可以用现有技术构建的工程现实。结果表明，扩展量子网络的障碍正在降低，使这项技术离成为全球基础设施的标准功能又近了一步。
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