迈向都市自由空间量子网络

量子通信已迅速朝着基于量子密钥分配的实用大规模网络发展，该网络引领了这一进程。量子密钥分发系统通常包括发送者“Alice”和接收者“Bob”，他们从量子测量中生成共享秘密以进行安全通信。尽管基于光纤的系统非常适合大都市规模，但合适的光纤基础设施可能并不总是到位。

在《npjQuantumInformation》的一份新报告中，AndrejKržič和一组科学家开发了一种基于纠缠的自由空间量子网络。该平台为城市应用提供了实用且高效的替代方案。该团队引入了自由空间量子密钥分发系统，以展示其在实际应用中的使用，以期建立自由空间网络作为未来全球量子互联网中都市应用的可行解决方案。

量子通信网络

量子通信通常旨在在两方或多方之间分发量子信息。量子网络的一系列革命性应用为设计成熟的量子互联网提供了路线图。所提出的发明提供了具有不同链路和互连的专用子网络的异构网络。量子密钥分发网络的概念推动了这一发展，为其他分布式量子信息处理方法衡量量子网络技术成熟度的基准铺平了道路。

在这项工作中，Kržič及其同事描述了一种城域自由空间网络架构，可确保峰会、会议和其他活动中的通信安全，并在没有端到端光纤连接的情况下增加容量来补充现有的网络基础设施。量子物理学家围绕中央纠缠服务器构建了架构，将纠缠光子传输给网络用户。

他们构建了该架构的关键构建模块，包括适合都市应用的便携式、高可见度纠缠光子对源，并具有针对白天功能的专用过滤功能。物理学家在1.7公里的真实场景中进行了量子密钥分发实验，并具有量子安全性，以展示在夜间和光天化日之下达到创纪录的千字节每秒速率的能力。

实验装置。纠缠光子源(EPS)充当服务器，生成810nm的偏振纠缠光子对。每对光子中的一个通过单模光纤发送给Alice，而另一个则通过由发射器和接收望远镜(Tx和Rx)组成的自由空间链路发送给Bob。1064nm信标激光器(BL)产生参考光束，该参考光束与二向色镜(DM)处的量子信号结合，并在自由空间链路上与其共同传播。在Bob，信标光束在由四个位置敏感探测器(4xPSD)组成的专用模块中进行分析，该模块为两个快​​速转向镜(FSM)生成反馈信号，从而稳定光束。Alice和Bob都拥有一个量子接收器子系统(QRS-A和QRS-B)，用于生成密钥。为了清楚起见，与本实验无关的光学元件已被省略。此处显示的自由空间链路是德国耶拿FraunhoferIOF和StadtwerkeJena之间1.7公里长的链路。信用：npj量子信息(2023)。DOI：10.1038/s41534-023-00754-0

基于纠缠的量子网络

研究人员开发了一种网络架构，其中纠缠光子源有助于服务器将纠缠流传输到由自由空间链路构建的城市规模网络中。科学家们选择将纠缠服务器放置在中央高层建筑中。

每个用户都拥有一个量子接收器子系统来检测量子态的解剖结构，并且该团队通过引入通过中央可信模式互连的多个纠缠服务器来将纠缠分发给用户，从而轻松扩展了网络规模。物理学家期望纠缠服务器能够作为一个方便的接口，将城域自由空间网络连接到更大城际网络的光纤主干网。

Alice和Bob之间的自由空间量子密钥分发系统

Kržič和团队开发了一种专门针对都市应用的量子通信系统，该系统由在不到一天的时间内在新地点实施自由空间量子网络所需的关键构建单元组成。除了电力之外，该平台不需要预先的基础设施。该系统类似于网络的Alice-Bob部分，其中纠缠服务器生成810nm的偏振纠缠光子对：一个通过单模光纤发送给Alice，而Bob使用自由空间链路接收另一个。

闭环稳定系统促进了长期功能，鲍勃和爱丽丝都拥有一个量子接收器子系统。鲍勃的版本具有专门设计的光谱和空间过滤模块，可在日光下运行，而爱丽丝的版本不需要专门过滤日光噪声。该团队利用商用无线电天线在爱丽丝和鲍勃的量子接收器子系统之间实现了经典通道。

量子工程师使用该系统在德国耶拿的一个地点和1.7公里外的公共服务大楼顶部的临时集装箱位置之间建立了量子链路。他们在夜间和白天的两次实验中，对相对于量子误码率和可实现的安全密钥率的系统性能进行了基准测试，背景噪声相对较高。科学家们将鲍勃检测到的计数率分为信号和背景噪声贡献，包括气象站测量的太阳辐射。

该团队于2022年3月2日进行了夜间实验，展示了在几个小时内平均安全密钥速率为5.4Kbps的情况下量子误码率低于2%的稳定性能。系统性能差异较大;例如，当团队将链路暴露在阳光直射下时，检测到的噪声率达到每秒400千光子(kcps)以上的值。在接下来的几个小时里，当小云穿过太阳时，背景噪音降低以恢复平台的性能，因此，它在阳光的直接影响下发生变化。

该团队模拟了一个场景，以评估从纠缠服务器到Alice和Bob的两个独立自由空间链路的性能。在夜间，他们注意到安全密钥速率超过1.1kbps。当团队于2021年7月部署该系统时，他们在德国波恩相距300m的两个办公室之间建立了自由空间量子密钥分发链路，以在夜间和白天实现相似的密钥速率。

外表

通过这种方式，AndrejKržič和团队开发了一种基于纠缠的自由空间量子网络架构，作为大都市规模的可行解决方案。他们在不同条件下实现了高达5.7kbps的安全速率，表明其能够24/7运行以促进对城市的全面覆盖。

他们进一步探索了高维纠缠，以提高每个光子的信息容量，并具有更好的安全性和更高的抗噪声鲁棒性。纠缠的分布是量子密钥分布之外的多种应用的核心，包括量子时钟同步和量子密码学。

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