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长距离量子保密通信为什么要选超低损耗光纤?

发布时间:2019-05-20 22:40

        

 

 

 

     

  量子通讯的密钥天生速度即成码率是权衡 QKD体系机能好坏的主要目标,高的成码率能够加密更多的数据,构成更庞大的加密系统,并且只要达到必然速度的量子秘钥散发才拥有商用价值。 成码率会跟着距离添加而呈指数衰减。 超低损耗光纤在同样的传输距离内的衰减更低(见图 5),因而在体系设置装备安排不异的环境下可以大概供给更高的成码率。如 100 km 的距离,采用超低损耗光纤比通俗光纤的链路衰减低 3 dB 摆布,显著提高了体系密钥成码率。

  基于单光子手艺的量子密钥散发体系中,量子信道和典范信作别离从分歧的光纤独立传输。 这是由于量子信道信号强度比典范通讯信号的强度小良多,若是量子信道和典范信串通时传输,典范信道的强信号发生一系列非线性效应严峻影响 QKD 体系的传输结果,如信道串扰、拉曼散射、自觉辐射。 而量子通讯与典范光传输体系若是能实现共纤传输,可以大概大大低落量子保密通讯收集扶植本钱,有益于量子保密通讯的适用与推广。

  因而,颠末多个钻研机构对超低损耗光纤的尝试测试与实践查验,超低损耗光纤在添加平安通讯距离、提高平安成码率和提高体系的平安性都拥有较着劣势,必将鞭策量子计较和量子保密通讯范畴的倏地成长,并在量子计较的时代饰演主要的收集根本设备。

  量子保密通讯的道理是操纵量子态的不成丈量和不成复制性,在通讯线路的两头用量子密钥对消息加密,消息若是被截获或者复制,原有的量子态会被粉碎,从而使传输方晓得窃听者的具有,所以量子通讯也被称为彻底平安的数据传输方案。

  对付量子通讯来说, 添加平安通讯距离、提高平安成码率和提高体系的平安性,是适用性量子密钥散发手艺最主要的 3 个方针。那么超低损耗光纤在这几个方面表示若何呢?

  图 1 为通例掺锗纤芯光纤和纯硅纤芯光纤的折射率漫衍示意。 利用纯硅芯手艺实现了光纤衰减的 降 低, 如 康 宁 公 司 的 SMF-28® ULL(Ultra LowLoss,超低损耗)纯硅芯光纤,1 550 nm 处的衰减能够 降 低 至 0.16 dB/km(常 规 光 纤 为 0.20 dB/km)。

  量子态的单光子不成朋分、不成复制,不克不迭像保守通讯那样进行复制放大,极大制约了光纤中的量子密钥散发距离。因而以单光子手艺为根本的量子保密通讯,传输距离很洪流平上取决于线路中的损耗,更低衰减的光纤是耽误传输距离的无效体例。

  对付长距离广域的量子密钥散发,需分成 2个步调实现,起首通过光纤实现百千米的量子城域收集; 然后通过可托中继器实现量子城际收集。 我国这一范畴的使用也同样走去世界前列,2017 年开通的京沪量子支线 个可托赖中继站,每 2 个中继站之间的均匀距离为 62.5 km。而若是采用超低损耗光纤,可以大概提拔每个中继站之间的距离,理论上必要的可托中继站更少 ( 如图 3 所示 )。中继站数量的削减一方面能够削减设施的投入; 另一方面也削减了整个链路的潜在平安隐患(可托赖中继站是量子保密手艺中平安较为亏弱的关键),提高了链路的全体平安机能。

  光纤的损耗次要来自于纤芯资料的瑞利散射损耗和接收损耗。 保守光纤在制作时需在纤芯中掺杂来提高纤芯的折射率,但却会导致较高的瑞利散射和光纤衰减。 而超低损耗光纤在纤芯中利用纯二氧化硅,包层掺杂低落折射率,如许既减小了纤芯瑞利散射带来的衰减,又可实现信号光全反射的传输 。

  跟着消息手艺的倏地成长,收集通讯的平安问题日益显著。计较机的算力不竭提拔,保守的加密方式面对庞大的危害,在量子计较机的破译之下将不胜一击。

  目前外洋的欧洲东芝欧洲尝试室、瑞士日内瓦大学、西班牙马德里大学等均开展了有关钻研,实现了千兆光通讯、10 G 波分体系和 QKD 量子信道复用光纤的尝试。 国内,中国电信和科大国盾竞争开展了有关钻研,完成了百兆、千兆光通讯以及波分体系等和 QKD 量子信道共用光纤的试验 ,该尝试是环球首个商用量子密钥散发体系与商用 8 Tbps(80×100 Gbps) 大容量稠密波分复用体系共纤超长距传输试验, 在超低损耗光纤上实现了 100 km 以上单跨传输。

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  由此,科学家便基于量子力学和暗码学开辟出来量子密钥散发手艺(Quantum Key Distribution,QKD),称为量子保密通讯,为消息平安供给了强无力的保障。

              

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