东芝宣布在远程量子通信方面取得突破

东芝欧洲剑桥研究实验室宣布首次通过超过600公里的光纤进行量子通信演示。这一突破将使大都市区之间的长距离量子安全信息传输成为可能，是构建未来量子互联网的重大进步。

术语“量子互联网”描述了通过长距离量子通信链路连接的全球量子计算机网络。预计它将允许在云中实现复杂优化问题的超快速解决方案、更准确的全球授时系统和全球高度安全的通信。例如，美国、欧盟和中国已经宣布了几项建设量子互联网的大型政府计划。

构建量子互联网最困难的技术挑战之一是如何通过长光纤传输量子比特的问题。环境条件的微小变化（例如温度波动）会导致光纤膨胀和收缩，从而扰乱脆弱的量子位，这些量子位被编码为光纤中弱光脉冲的相位延迟。

现在，东芝通过引入一种新颖的“双波段”稳定技术，证明了量子通信的记录距离。这会发送两个不同波长的光参考信号，以最大程度地减少长光纤上的相位波动。第一个波长用于抵消快速变化的波动，而第二个波长与光量子位的波长相同，用于相位的微调。在部署这些新技术后，东芝发现即使在通过 100 公里的光纤传播后，也可以将量子信号的光学相位保持在波长的几分之一以内，精度可达 10 纳米。如果没有实时消除这些波动，光纤会随着温度变化而膨胀和收缩，扰乱量子信息。

双频段稳定的第一个应用将是长距离量子密钥分发 (QKD)。商业 QKD 系统仅限于大约 100-200 公里的光纤。2018 年，东芝提出了双场 QKD 协议作为扩展距离的一种方式，并使用短光纤和衰减器测试了其对光损耗的恢复能力。通过引入双频段稳定技术，东芝现已在长光纤上实施双场 QKD，并首次展示了超过 600 公里的 QKD。

这是一个非常令人兴奋的结果，描述结果的文章的第一作者 Mirko Pittaluga 评论道，凭借我们开发的新技术，QKD 的通信距离的进一步扩展仍然是可能的，我们的解决方案也可以应用于其他量子通信协议和应用程序。

东芝欧洲量子技术部负责人 Andrew Shields 表示，近年来，QKD 已被用于保护城域网。这一最新进展扩展了量子链路的最大跨度，从而可以连接不同国家的城市和大陆，而不使用受信任的中间节点。与卫星 QKD 一起实施，它将使我们能够建立一个全球量子安全通信网络。

东芝公司企业高级副总裁兼首席数字官岛田太郎表示，随着量子技术的这一成功，东芝愿意进一步快速扩展其量子业务。我们的愿景是一个量子信息技术服务平台，它将不仅可以在全球范围内实现安全通信，还可以实现诸如基于云的量子计算和分布式量子传感等转型技术。

这项进展的细节发表在科学期刊《自然光子学》上。这项工作由欧盟通过 H2020 项目 OpenQKD 部分资助。该团队现在正在设计提议的解决方案，以简化他们未来的采用和部署。

这一最新进展是在去年宣布 BT 和东芝安装了英国第一个工业量子安全网络之后。在国家复合材料中心 (NCC) 和建模与仿真中心 (CFMS) 之间传输数据，东芝的多路复用兼容性允许数据和量子密钥在同一根光纤上传输，从而无需昂贵的专用密钥分发基础设施。使用现有基础设施进行更短距离的多路复用 QKD 以及更长距离的双场 QKD 的组合到来，为商业上可行的全球量子安全网络铺平了道路。

QKD 允许用户通过不受信任的通信渠道（如互联网）安全地交换机密信息（如银行对账单、健康记录、私人电话）。它通过向目标用户分发一个公共密钥来实现这一点，该密钥可用于加密并保护通过通信通道交换的信息。密钥的安全性取决于为密钥生成而编码和传输的各个量子系统（光子、光粒子）的基本特性。如果这些光子被未指定的用户拦截，量子物理学保证目标用户可以感知到窃听，从而保护通信。

与其他现有的安全解决方案不同，量子密码学的安全性直接源自我们用来描述我们周围世界的物理定律，因此，它可以抵御未来数学和计算的任何进步（包括量子计算机的出现） ）。有鉴于此，QKD 有望成为保护企业和政府运营关键通信的重要工具。

有关东芝量子信息组工作的更多信息，请访问http://www.quantum.toshiba.co.uk