圖：基于糾纏的自由空間網(wǎng)絡。標準化的中央定位糾纏服務器(ES，黑盒子)將糾纏光子送入網(wǎng)絡。自由空間通道用于連接遙遠的建筑物和大都市地區(qū)的部分地區(qū)，而光纖連接仍然可以以互補的方式使用，例如，連接到中心建筑物內(nèi)的辦公室。每個終端用戶都擁有一個特定于應用程序的量子接收器子系統(tǒng)(綠框)。

　　量子通信已經(jīng)迅速發(fā)展到基于量子密鑰分配的實用大規(guī)模網(wǎng)絡，這是這一進程的先鋒。量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)通常包括一個發(fā)送者“Alice”和一個接收者“Bob”，他們從量子測量中生成一個共享的秘密，用于安全通信。盡管基于光纖的系統(tǒng)非常適合城域規(guī)模，但合適的光纖基礎設施可能并不總是完善的。

　　在npj Quantum Information中的新報告中，Andrej Kr?i?和研究員們開發(fā)了一種基于糾纏的自由空間量子網(wǎng)絡。該平臺為城域應用提供了一個實用、高效的替代方案。該團隊介紹了一個自由空間量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，以展示其在實際應用中的應用，并預期將自由空間網(wǎng)絡建立為未來全球量子互聯(lián)網(wǎng)城域應用的可行解決方案。

　　量子通信網(wǎng)絡

　　量子通信的典型目標是在兩方或多方之間分發(fā)量子信息。量子網(wǎng)絡的一系列革命性應用為構建成熟的量子互聯(lián)網(wǎng)提供了路線圖。本發(fā)明提供了具有不同鏈路和互連的專用子網(wǎng)的異構網(wǎng)絡。量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡的概念推動了這一發(fā)展，為其他分布式量子信息處理方法鋪平了道路，從而對量子網(wǎng)絡的技術成熟度進行了基準測試。

　　在這項工作中，Kr?i?及其同事描述了一種城域自由空間網(wǎng)絡架構，用于在峰會、會議和其他活動中確保通信安全，并在沒有端到端光纖連接的情況下，增加了補充現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎設施的容量。量子物理學家圍繞中央糾纏服務器構建了這個架構，將糾纏光子傳輸給網(wǎng)絡用戶。

　　他們構建了該體系結構的關鍵組成部分，包括一個便攜式、高可見度的糾纏光子對源，適用于具有白天功能專用濾波的大都市應用。物理學家們在1.7公里的現(xiàn)實場景中進行了量子密鑰分發(fā)實驗，并使用量子安全技術展示了在夜間和光天化日下實現(xiàn)創(chuàng)紀錄的每秒千字節(jié)速率的能力。

　　基于糾纏的量子網(wǎng)絡

　　研究人員開發(fā)了一種網(wǎng)絡架構，其中糾纏光子源有助于服務器將糾纏流傳輸?shù)接勺杂煽臻g鏈路構建的大都市規(guī)模網(wǎng)絡中。科學家們選擇將糾纏服務器放置在中央高層建筑中。

　　每個用戶都擁有一個量子接收器子系統(tǒng)來檢測量子狀態(tài)的解剖結構，并且該團隊通過引入幾個通過中央可信模式相互連接的糾纏服務器來擴展網(wǎng)絡大小，從而將糾纏分發(fā)給用戶。物理學家期望糾纏服務器作為一個方便的接口，將城域自由空間網(wǎng)絡連接到更大的城際網(wǎng)絡的光纖骨干。

　　Alice和Bob之間的自由空間量子密鑰分配系統(tǒng)

　　Kr?i?和團隊開發(fā)了一個特定于城域應用的量子通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)由在不到一天的時間內(nèi)在新站點實現(xiàn)自由空間量子網(wǎng)絡所需的關鍵建筑單元組成。該平臺不需要預先的基礎設施，除了電力。該系統(tǒng)類似于網(wǎng)絡的Alice-Bob部分，其中糾纏服務器產(chǎn)生一對810 nm偏振糾纏光子:其中一個通過單模光纖發(fā)送給Alice，而Bob使用自由空間鏈路接收另一個。

　　閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)促進了長期功能，Alice和Bob都擁有一個量子接收器子系統(tǒng)。Bob的版本有專門設計的光譜和空間濾波模塊，可以在白天工作，而Alice的版本不需要專門過濾日光噪聲。該團隊利用商用無線電天線實現(xiàn)了Alice和Bob的量子接收器子系統(tǒng)之間的經(jīng)典信道。

　　夜間和白天的系統(tǒng)性能

　　量子工程師利用該系統(tǒng)在一個地點和1.7公里外的公共服務大樓頂部的一個臨時集裝箱之間建立了量子連接。他們在夜間和白天的兩個實驗中對系統(tǒng)性能進行了相對于量子誤碼率和可實現(xiàn)的安全密鑰率的基準測試，背景噪聲相對較高�？茖W家們將Bob探測到的計數(shù)率分為信號和背景噪聲貢獻，包括氣象站測量的太陽輻射。

　　該團隊于2022年3月2日進行了夜間實驗，以證明在幾個小時內(nèi)平均安全密鑰速率為5.4 Kbps的情況下，量子誤碼率低于2%的穩(wěn)定性能。系統(tǒng)性能差異較大;例如，當研究小組將鏈路直接暴露在陽光下時，檢測到的噪聲率達到了每秒400千光子(kcps)以上的值。在接下來的幾個小時里，當小云層穿過太陽時，背景噪音降低以恢復平臺的性能，因此，它在陽光的直接影響下發(fā)生了變化。

　　該團隊模擬了一個場景，以評估從糾纏服務器到Alice和Bob的兩個獨立的自由空間鏈路的性能。在夜間，他們注意到安全密鑰速率超過1.1 kbps。當該團隊于2021年7月部署該系統(tǒng)時，他們在位于德國波恩的兩個相距300米的辦公室之間建立了自由空間量子密鑰分配鏈路，以在夜間和白天實現(xiàn)相似的密鑰速率。

　　前景

　　通過這種方式，Andrej Kr?i?和團隊開發(fā)了一種基于糾纏的自由空間量子網(wǎng)絡架構，作為城域尺度的可行解決方案。他們在不同條件下實現(xiàn)了高達5.7 kbps的安全速率以促進對城市的全面覆蓋。

　　他們進一步探索了高維糾纏，以提高每個光子的信息容量，提高安全性和對噪聲的魯棒性。糾纏分布是量子密鑰分發(fā)之外的多個應用的核心，包括量子時鐘同步和量子加密。