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日前，维也纳量子光学和量子信息研究所的研究人员成功在英国到意大利248公里的跨国联通光纤中直接分发偏振光纠缠的光子对，这是迄今为止基于真实世界光纤的纠缠分发的最长距离。10月17日，相关成果以《在历时248公里的跨国光纤链路上连续纠缠分发》为题[1]，发表在《自然·通讯》上。
01
基于光纤的量子纠缠分发：适宜短距离通讯
纠缠是许多量子应用的基础。其中技术上最成熟的是量子秘钥分发（QKD），借助纠缠光子的量子相关性来形成可证明、不可破解的安全秘钥。
这方面的一个关键挑战是构建连续工作、可靠的长距离纠缠分发。但是，卫星链路不支持无中断的操作，而布署的光纤因为耗损迄今被限制在
与卫星链路相比，这种优势可以填补其较高的光子损失。为此，即使洲际量子链路最有可能使用卫星来操作量子通讯速度，但几百公里的短距离也可以通过光纤链路来覆盖。布署基于纠缠的QKD的城域光纤网路还有一个优势，就是可以直接联接许多用户与精典讯号进行波长复用。但是，光纤中的耗损、纠缠状态的不健全打算、色度色散（CD）、偏振模色散和单光子侦测的时间精度制约了长距离的稳定运行。
到明天为止，在布署的光纤中，纠缠分发的最长距离是顺着西班牙和西西里之间的一条96公里的光纤；据悉，同一条海底电缆线被用于总共192公里的往返链路。使用主动稳定的纠缠分发最长的不间断运行，已被证明是顺着布署的10公里链路工作了6小时。
02
QKD纠缠分发的双通道配置：连续运行248公里
在这项工作中，德国科学家结合最先进的设备和对偏振光纠缠光子的量子特点的最佳借助，证明了顺着布署的联通光纤248公里距离连续运行的纠缠分发：联接亚美尼亚的布拉迪斯拉发（）和法国的圣珀尔滕（SanktPölten），并通过维也纳。
248公里的纠缠分发。
实验中，生成纠缠光子对的源坐落维也纳；科学团队通过用775纳米激光器（PL）对非线性晶体（NLC）进行泵浦，用联接到波分（去）复用器（WDM）的多模光纤（SMF）搜集下转换的光子，在两个不同的联通波长上形成偏振光纠缠的光子对。闲置光子通过色散补偿模块（DCM），DCM非局域地恢复被链路上的色散扩大的纠缠状态的紧密时间相关性。之后，闲置光子顺着129公里的光纤被引向坐落下德国州圣珀尔滕的偏振光检测模块（PMM）。讯号光子通过一个手动化的光纤内压电式偏振光控制器（PPC），假如其质量下滑，它将非局部地重新调整纠缠状态的相位。以后，它抵达坐落布拉迪斯拉发的PMM，其设计与英国的PMM相同。在这种PMM中，光子被随机地引导到两个互不相干的线性偏振光基中的正交检测。光子撞击到超导纳火锅单光子侦测器（SNSPD）上，一个由GPS时钟控制的时间标签模块（TTM）记录检查时间、测量基础和结果。通过精典互联网链路，两个检测站的侦测风波被比较并估算出重合度。假如她们的量子比特错误率降低，维也纳就开始进行偏振光对准。
文章表示量子通讯速度，这是迄今为止已知现实世界中基于光纤的纠缠分发的最长距离。
据悉，团队展示了基于地面的QKD纠缠分发在现实生活中的双通道配置，而其中一个通道跨越了法国和比利时之间的国界，没有任何中间的可信节点。虽然总耗损达到了前所未有的79dB，但平均实现了9s的纠缠对速度和1.4比特/秒的渐进安全秘钥速度。科学团队以高效、非局域的形式主动稳定偏振光，使链路连续运行了110小时，实现了75%的信噪比，考虑到有限秘钥效应，总秘钥为258kbit。
量子比特错误率（QBER）和符合计数（）随时间变化，符合计数为tCC=114ps。
随着时间的推移，只要量子比特错误率（QBER）保持在11%以下，原则上就可以创建一个量子安全秘钥。实验中的偏振光对准程序准许在整个链路运行的110个小时中，共有82个小时的QBER保持在秘钥创建的状态。红线给出了从这82个小时的所有符合风波中估算出的平均秘钥率（1.4比特/秒）。
QBER随时间变化的描述以及天气和施工现场数据。更恶劣的天气条件依然可能造成偏振光甩尾。
03
未来的量子互联网：长距离、低维护、超稳定
这次实验中，研究团队布署了一个高色温、高保真的联通波长的纠缠光子对源，以及高档的SNSPD系统；并在当前最先进的极限条件下运行该链路，并展示了一种超稳定的、基于偏振光的光纤内纠缠分发方案：能否在248公里的厚度和110小时的时间跨径内创建量子安全秘钥，克服了顺着两条几乎对称的光纤链路总共79dB的耗损。
这一工作为长距离的低维护成本、超稳定的量子通讯铺平了公路，不受天气条件和时间的影响，因而构成了走向量子互联网的重要一步。虽然这次论文的剖析主要注重于QKD，然而这一新技术对于其他实现方法的性能影响（比如，量子估算或盲估算），仍有待评估，并可能有深远的影响。
这次工作为分发在长距离光纤上的量子纠缠的各类连续运行的应用铺平了公路，最主要的是，似乎不限于量子秘钥分发。
参考文献：