邁向?qū)嵱没男乱徊健TT利用光交換機驗證單光子量子加密傳輸

　　量子加密通信由于從理論上來講是不可能進行信息“竊聽”的，因此作為終極通信方式受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前，這項研究正穩(wěn)步地朝著實用化方向邁進。

　　NTT此次宣布，可在普通線路通信所需的光交換機中對量子加密通信所用的信號傳輸路徑進行控制?！斑^去的開發(fā)活動只是在實驗室里向光纖傳輸量子加密信號，單純地在傳輸距離的長度上進行競爭。從利用接近于實際光網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境成功進行傳輸?shù)倪@一角度講，與過去相比取得了跨越性的進步。希望通過推進高速化和長距離傳輸，在2年內(nèi)完成實用系統(tǒng)的開發(fā)”（NTT物性科學基礎(chǔ)研究所量子光物性研究部長森田雅夫）。

　　利用光的干涉作用控制傳輸路徑

　　NTT此次使用目前正在作為大容量光通信網(wǎng)絡(luò)主干元件而進行開發(fā)的光交換機進行了實驗。作為構(gòu)成光交換機的元件，先在硅底板上層疊石英玻璃，再形成2條導光線路。其工作原理如下：將入射到元件中的光分配給2個導光線路，再在終點進行匯合；在設(shè)置于出射端的2個端口中，先選擇讓光線從哪個端口射出后再進行交換。出射端口的選擇可通過在一條導光線路內(nèi)進行光的相位反轉(zhuǎn)控制來完成；光匯合時，光將從2束光因同相干涉而相互加強的端口射出，而因異相干涉而相互減弱的端口則不會有光射出。以矩陣方式橫豎分別將8個交換元件連接起來，形成8×8的多層次結(jié)構(gòu)。導光線路內(nèi)的相位反轉(zhuǎn)則利用了熱光效應(yīng)。

　　在與普通數(shù)據(jù)通信相混合的狀態(tài)下對量子加密傳輸進行驗證

　　實驗中，對光交換機內(nèi)同時存在普通數(shù)據(jù)通信信號與量子加密通信信號的條件下，能否正常傳輸2種信號進行了驗證?！拔覀儗⑦@次實驗定位于設(shè)想將來在主干光線路中傳輸量子加密通信時的基礎(chǔ)實驗。”NTT的森田說道。

　　實驗詳情如下。首先，作為模擬加密密鑰數(shù)據(jù)，準備了隨機數(shù)數(shù)據(jù)。使用這種數(shù)據(jù)，對每隔一定時間間隔發(fā)生的波長1555nm單光子進行調(diào)制。將單光子發(fā)送給相位調(diào)制器即可完成這一步。將調(diào)制后的光子和另外準備的波長1551nm的光信號（10Gbit/秒）分別發(fā)送到不同的光纖中，然后使這些光纖傳輸?shù)?種光再從8×8交換機中通過。在從不同端口射出的2種光線中，10Gbit/秒的信號光發(fā)送給光纖后再傳輸5km，最后輸入接收裝置。實驗證實，能夠以幾乎沒有失真的眼圖進行接收。

　　而基于單光子的量子加密信號則直接導入馬赫-澤德干涉儀（Mach-Zehnder Interferometer），通過對與時間軸方向相鄰的光子之間的相位差進行測定，提取出作為原始加密密鑰數(shù)據(jù)的位列。光子利用APD（雪崩光電二極管）進行檢測。在由干涉儀和APD構(gòu)成的接收裝置的前一級插入一種濾波器，用于減輕在光交換機中混入的波長1551nm信號光的影響。盡管作為加密通信信號的波長1555nm的光也會因這種濾波器而發(fā)生衰減，不過其衰減量僅2～3dB。

　　以2Kbit/秒傳輸加密密鑰，“目標是Mbit/秒級”

　　結(jié)果，利用單光子接收裝置成功地實現(xiàn)了2kbi/秒的加密密鑰傳輸。比特誤碼率為6％。作為對加密密鑰傳輸速度的提高影響最大的接收裝置的外部量子效率目前約為10％。根據(jù)單純的計算，所發(fā)送的光子中10個有9個接不到?！澳繕耸峭ㄟ^提高APD的靈敏度等措施，將加密密鑰的傳輸速度提高到Mbit/秒級。假如能夠達到這樣的速度，實用上絕對沒問題”（森田）。從原理上來說，由于在傳輸線路上不能使用光放大器，因此存在著如何延長傳輸距離的問題。對此，森田表示“盡管傳輸速度與加密密鑰的傳輸速度是一種此消彼長的關(guān)系，難以兩全，不過希望能夠達到100km大關(guān)”。

　　利用多端口光交換機進行驗證，表明有可能用于大容量通信

　　通過光交換機傳輸量子加密的實驗，過去美國等國的研究小組曾做過。但使用的都是端口數(shù)為2×2和4×4的交換機。這是因為光子通過的元件數(shù)越多，交換機內(nèi)的光衰減就越大，從而就無法準確地接收信號?？紤]到在大容量通信中的應(yīng)用，端口數(shù)是越多越好，“能夠在幾乎沒有衰減的情況下使單光子通過8個元件進行傳輸，這是此次實驗的最大成果”。另外，此次所用的交換機與過去的驗證實驗中使用的、采用MEMS元件或電化學結(jié)晶的交換機相比，在機械強度和傳輸效率上都更好一些，在實用上更有利。 
 
新聞來源：日經(jīng)BP社