Недавно китайская научно-исследовательская группа добилась нового прогресса в области квантовой связи. Команды Пань Цзяньвэя и Сюй Фэйху из Китайского университета науки и технологий совместно с Университетом Сунь Ятсена, Шанхайским университетом транспорта и другими организациями реализовали дальнюю чипированную квантовую коммуникационную сеть на основе протокола двухпольного квантового распределения ключей и получили безопасную скорость генерации ключей, превышающую ёмкость ключей без ретрансляции, на расстоянии до 540 км по оптоволокну.
Квантовое распределение ключей позволяет удалённым пользователям обмениваться теоретически безопасными ключами, что в сочетании с шифрованием одноразовым блокнотом может обеспечить безусловно безопасную связь по принципу. Протокол двухпольного квантового распределения ключей способен преодолеть ограничение традиционного квантового распределения ключей, при котором скорость генерации ключей линейно снижается с расстоянием, и является важным техническим направлением для создания дальних оптоволоконных квантовых коммуникационных сетей. Однако этот протокол предъявляет высокие требования к когерентности источника света, стабильности канала и точности управления системой, что делает его практическое развёртывание довольно сложным.
Рисунок 1 Гибридный интегральный фотонный чип из нитрида кремния и тонкоплёночного ниобата лития
Ключевым прорывом данного исследования является чипированный передатчик. Исследовательская группа разработала гибридный интегральный фотонный чип из нитрида кремния и тонкоплёночного ниобата лития, объединив лазерный чип с самовпрыскивающей синхронизацией на основе высокодобротного микрорезонатора из нитрида кремния с тонкоплёночным интегральным фотонным чипом из ниобата лития, интегрирующим несколько модуляторов интенсивности, фазовых модуляторов и переменных оптических аттенюаторов. Чиповый лазер обеспечивает выходную мощность с узкой шириной линии 100 Гц, а модулятор из тонкоплёночного ниобата лития достигает полосы модуляции 25 ГГц, полуволнового напряжения 2,6 В и коэффициента подавления 34 дБ.
В архитектуре сети исследовательская группа предложила структуру квантовой сети типа «лист-хребет». Эта структура состоит из пользовательского уровня, уровня листьев и уровня хребта. Пользователи подключаются к сети через чипированный передатчик, а затем через оптические переключатели и измерительные блоки осуществляется маршрутизация и измерение квантовых сигналов. По сравнению с тестированием одного канала, такая структура больше соответствует требованиям реальной квантовой коммуникационной сети, позволяя увеличить ёмкость подключения пользователей, масштабируемость сети и гибкость соединений.
Рисунок 2 Схема системы квантового распределения ключей с интегральным чипом для четырёх пользователей
В эксперименте исследовательская группа построила чипированную сеть двухпольного квантового распределения ключей для четырёх пользователей и продемонстрировала соединения с различными конфигурациями пользователей на расстояниях 40 км и 403 км по оптоволокну. В дальнейшем эксперименте система достигла безопасной скорости генерации ключей 2,93 бит/с на сверхнизкопотерьном оптоволоконном канале длиной 540 км с общими потерями 91,5 дБ, что в 9 раз превышает ёмкость ключей без ретрансляции.
Результаты также включали моделирование производительности сети. На основе экспериментальных параметров квантовая сеть типа «лист-хребет» может поддерживать высококачественные видеозвонки для более чем 50 пользователей на расстоянии 50 км по оптоволокну. Это показывает, что чипированная квантовая коммуникационная сеть не только подтверждает способность к дальней передаче, но и демонстрирует потенциал для расширения в будущем на многопользовательские городские квантовые сети.
Рисунок 3 График результатов экспериментальной скорости генерации ключей в сети квантового распределения ключей
Значение этого достижения заключается в объединении технологии интегральных фотонных чипов с архитектурой дальней квантовой коммуникационной сети. Традиционные системы квантовой связи часто сталкиваются с проблемами большого размера оборудования, высокой стоимости и сложности системы. Чипированный подход способствует миниатюризации, стабилизации и снижению стоимости передатчика, обеспечивая техническую основу для последующего крупномасштабного развёртывания квантовых коммуникационных сетей.
Однако эти результаты всё ещё находятся на стадии научной проверки. Для перехода к более масштабному применению в будущем необходимо продолжить решение проблем, связанных с согласованностью чипов, системной инженерией, долгосрочной стабильной работой, управлением сетью, стандартными интерфейсами и сопутствующей цепочкой поставок. Особенно в реальных городских и междугородних сетях передача квантовых сигналов будет сталкиваться со сложными условиями, такими как колебания окружающей среды, потери в канале, диспетчеризация узлов и обслуживание оборудования.
Последующие наблюдения будут сосредоточены на прогрессе в инженерии чипированного передатчика, производительности квантовой сети типа «лист-хребет» при увеличении числа пользователей, совместимости с существующими оптоволоконными коммуникационными сетями, а также на том, войдёт ли эта технология в экспериментальные сети городской квантовой связи. Если последующая проверка пройдёт успешно, дальняя чипированная квантовая коммуникационная сеть может стать важным техническим направлением для инфраструктуры безопасной связи.