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手机版银河误乐城-长距离量子保密通信的关键——超低损耗光纤

2020-10-14 00:23:01

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随着信息技术的较慢发展,网络通信的安全性问题日益明显。计算机的算力大大提高,传统的加密方法面对极大的风险,在量子计算机的破解之下将不堪一击。

由此,科学家之后基于量子力学和密码学研发出来量子密钥发给技术(QuantumKeyDistribution,QKD),称作量子保密通信,为信息安全获取了强有力的确保。量子保密通信的原理是利用量子态的不能测量和不能拷贝性,在通信线路的两端用量子密钥对信息加密,信息如果被求救或者拷贝,原先的量子态不会被毁坏,从而使传输方告诉监听者的不存在,所以量子通信也被称作几乎安全性的数据传输方案。然而,量子保密技术,在超强长距离通信时,却面对诸多挑战。量子态的单光子不可分割、不能拷贝,无法像传统通信那样展开拷贝缩放,很大容许了光纤中的量子密钥发给距离。

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因此以单光子技术为基础的量子保密通信,传输距离相当大程度上各不相同线路中的损耗,更加较低波动的光纤是缩短传输距离的有效地方式。因此,超低损耗光纤在量子通信中的应用于将显得至关重要。那么,什么是超低损耗光纤?光纤的损耗主要来自于纤芯材料的瑞利散射损耗和吸取损耗。

传统光纤在生产时需在纤芯中掺入来提升纤芯的折射率,但却不会造成较高的瑞利散射和光纤波动。而超低损耗光纤在纤芯中用于显二氧化硅,包层掺入减少折射率,这样既增大了纤芯瑞利散射带给的波动,又可实现信号光全反射的传输。图1为常规掺入锗纤芯光纤和显硅纤芯光纤的折射率产于转身。

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用于显硅芯技术构建了光纤波动的减少,如康宁公司的SMF-28reg;ULL(UltraLowLoss,超低损耗)显硅芯光纤,1550nm处的波动可以减少至0.16dB/km(常规光纤为0.20dB/km)。超低损耗光纤在量子通信中的应用于对于量子通信来说,减少安全性通信距离、提升安全性成码率和提升系统的安全性,是实用性量子密钥发给技术最重要的3个目标。那么超低损耗光纤在这几个方面展现出如何呢?1)减少安全性通行距离对于长距离广域的量子密钥发给,须要分为2个步骤构建,首先通过光纤构建百千米的量子城域网络;然后通过可靠中继器构建量子城际网络。我国这一领域的应用于也某种程度回头在世界前茅,2017年通车的京沪量子干线,全长为2000km,共计用于32个可信任中继站,每2个中继站之间的平均值距离为62.5km。

而如果使用超低损耗光纤,需要提高每个中继站之间的距离,理论上必须的可靠中继站更加较少(如图3右图)。中继站数量的增加一方面可以增加设备的投放;另一方面也增加了整个链路的潜在安全隐患(可信任中继站是量子保密技术中安全性更为脆弱的环节),提升了链路的整体安全性性能。

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2)减少成码率量子通信的密钥分解速率即成码率是取决于QKD系统性能好坏的最重要指标,低的成码率可以加密更好的数据,构成更加简单的加密体系,而且只有抵达一定速率的量子秘钥发给才具备商用价值。成码率不会随着距离减少而呈圆形指数波动。超低损耗光纤在某种程度的传输距离内的波动更加较低(闻图5),因此在系统配置完全相同的情况下需要获取更高的成码率。

如100km的距离,使用超低损耗光纤比普通光纤的链路波动较低3dB左右,明显提升了系统密钥成码率。3)推展经典信号与光纤的共纤传输的商业化基于单光子技术的量子密钥发给系统中,量子信道和经典信道分别从有所不同的光纤独立国家传输。这是因为量子信道信号强度比经典通信信号的强度小很多,如果量子信道和经典信通同时传输,经典信道的强劲信号产生一系列非线性效应严重影响QKD系统的传输效果,如信道串扰、拉曼衍射、自发辐射。而量子通信与经典光传输系统如果能构建共纤传输,需要大大降低量子保密通信网络建设成本,不利于量子保密通信的简单与推展。

目前国外的欧洲东芝欧洲实验室、瑞士日内瓦大学、西班牙马德里大学等皆积极开展了涉及研究,构建了千兆光通信、10G波分系统和QKD量子信道适配光纤的实验。国内,中国电信和科大国盾合作积极开展了涉及研究,已完成了百兆、千兆光通信以及波分系统等和QKD量子信道共用光纤的试验,该实验是全球首个商用量子密钥发给系统与商用8Tbps(80×100Gbps)大容量密集波分适配系统共纤超长距传输试验,在超低损耗光纤上构建了100km以上单横跨传输。因此,经过多个研究机构对超低损耗光纤的实验测试与实践中检验,超低损耗光纤在减少安全性通信距离、提升安全性成码率和提升系统的安全性都具备显著优势,终将推展量子计算出来和量子保密通信领域的较慢发展,并在量子计算出来的时代扮演着最重要的网络基础设施。

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