光纖量子通信迎來(lái)新突破 科學(xué)家提出網(wǎng)絡(luò)安全新方案

      ICCSZ訊 近日，南非約翰內(nèi)斯堡的金山大學(xué)（WITS）物理學(xué)院安德魯·福布斯（Andrew Forbes）教授和他的團(tuán)隊(duì)，以及中國(guó)武漢的華中科技大學(xué)光電子科學(xué)與工程學(xué)院王?。↗ian Wang）帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)共同提出，全球量子網(wǎng)絡(luò)需要長(zhǎng)距離分布糾纏態(tài)，可以通過(guò)一條傳統(tǒng)的光纖鏈路，就能實(shí)現(xiàn)多維糾纏傳輸模式的新方法，這將有助于在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中跨傳統(tǒng)光纖進(jìn)行部署。該項(xiàng)研究成果于1月25日登在了知名科學(xué)期刊《Science Advances》（科學(xué)進(jìn)步）上。

      該論文的通訊作者 Forbes 教授在接受鈦媒體采訪時(shí)表示，新的研究成果是一項(xiàng)為大眾造福的光纖量子通訊技術(shù)，將現(xiàn)有的量子通信與偏振光子的優(yōu)勢(shì)，以及利用光模式進(jìn)行的高維通信的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起，對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全以及數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域有著非常重要的作用。

      “普通人總是想要更好的通信系統(tǒng)，更快地下載他們喜愛(ài)的電影和社交媒體。但如今，我們也開(kāi)始認(rèn)識(shí)到信息安全的重要性。這項(xiàng)研究成果，通過(guò)光纖量子數(shù)據(jù)傳輸新方式，使數(shù)據(jù)更加安全，不管哪個(gè)國(guó)家有什么樣的技術(shù)，我們的工作是建立一個(gè)基本安全的量子網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，而這項(xiàng)研究成果是其中重要的一步?！盕orbes 對(duì)鈦媒體表示。

      更為重要的是，F(xiàn)orbes 在與鈦媒體采訪時(shí)提及，該研究成果或?qū)⒃谖磥?lái)通過(guò)金磚國(guó)家發(fā)展合作機(jī)制，進(jìn)行更密切的深度合作。中非兩國(guó)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，抵抗網(wǎng)絡(luò)安全危機(jī)，意義深遠(yuǎn)而重大。

      一項(xiàng)打破技術(shù)瓶頸的量子通信研究

      2019年，量子在人類(lèi)科技進(jìn)步中書(shū)寫(xiě)了濃墨重彩的一筆。谷歌的實(shí)驗(yàn)證明了“量子優(yōu)越性”，揭示量子計(jì)算具有超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力；量子物理學(xué)打破了規(guī)則，允許熱量穿過(guò)真空，讓我們真切感受到量子維度上的波動(dòng)效應(yīng)等等。

      事實(shí)上，量子力學(xué)也在不斷影響著我們生活，其構(gòu)建起非常精確的原子鐘，使 GPS 衛(wèi)星全球定位、導(dǎo)航等技術(shù)成為可能?？梢赃@樣說(shuō)，量子技術(shù)正逐漸走進(jìn)千家萬(wàn)戶當(dāng)中，成為未來(lái)科學(xué)發(fā)展的一部分。

      而在本篇論文，講的是基于糾纏態(tài)的量子通信話題。量子通信是量子網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中最為關(guān)鍵的一部分，融合了現(xiàn)代物理學(xué)和光通信技術(shù)研究的成果，由物理學(xué)基本原理來(lái)保證密鑰分配過(guò)程的無(wú)條件安全性。量子密鑰分發(fā)（QKD）根據(jù)所利用量子狀態(tài)特性的不同，可以分為基于測(cè)量和基于糾纏態(tài)兩種。

      而本論文提到的“基于糾纏態(tài)的量子通信”，就是其中之一，即兩個(gè)經(jīng)過(guò)耦合的微觀粒子，在一個(gè)粒子狀態(tài)被測(cè)量時(shí)，同時(shí)會(huì)得到另一個(gè)粒子的狀態(tài)。

      簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，量子通信就是提供無(wú)條件安全量子網(wǎng)絡(luò)的通信方式。

      按照該論文的說(shuō)法，當(dāng)前的通信系統(tǒng)非?？?，但是從根本上來(lái)說(shuō)，這并不是絕對(duì)安全的。而 Forbes 和王健團(tuán)隊(duì)的科研人員，希望打破目前的技術(shù)瓶頸，不再利用定制化的光纖電纜，通過(guò)傳統(tǒng)單模光纖方式，實(shí)現(xiàn)高維編碼，即多維糾纏傳輸模式，讓通信更安全。

兩個(gè)光子糾纏在一起，本圖主要體現(xiàn)在單模光纖上，可以實(shí)現(xiàn)多維糾纏傳輸。（來(lái)源：科學(xué)進(jìn)步論文）

      Forbes 表示，這篇論文的新穎之處在于，其展示了傳統(tǒng)單模光纖中的多維糾纏傳輸，很好的平衡了網(wǎng)絡(luò)兼容性和通信安全性。以?xún)蓚€(gè)自由度扭曲、偏振被扭曲以形成螺旋光，圖案也是如此，用于量子通信領(lǐng)域?qū)嵺`當(dāng)中。事實(shí)上，他們還在論文當(dāng)中還展示了在 250m 的單模光纖上的多維糾纏態(tài)的轉(zhuǎn)移，表明可以實(shí)現(xiàn)無(wú)數(shù)個(gè)二維子空間。

      Forbes 告訴鈦媒體，接下來(lái)，他們還將做更多的測(cè)試，并且需要做 100 公里以上的測(cè)試環(huán)境，希望嘗試開(kāi)發(fā)新的量子協(xié)議等等。

      關(guān)于中非兩國(guó)科研人員在本研究當(dāng)中的分工，F(xiàn)orbes 對(duì)鈦媒體表示，王健的團(tuán)隊(duì)帶來(lái)更好的光纖專(zhuān)業(yè)知識(shí)，而 Forbes 團(tuán)隊(duì)擁有量子方面的專(zhuān)業(yè)研究，兩者屬于強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，希望實(shí)現(xiàn)未來(lái)量子網(wǎng)絡(luò)的新范例。

      論文作者介紹

王健

      本篇論文的通訊作者之一是華中科技大學(xué)、武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的王健教授，1981 年 7 月生，其畢業(yè)于華中科技大學(xué)的光電子科學(xué)與工程學(xué)院，之后一直擔(dān)任該專(zhuān)業(yè)的副教授、博士生導(dǎo)師等，他還是美國(guó)南加州大學(xué)博士后，王健教授還有一個(gè)職位，是華中科技大學(xué)光電子器件與集成功能實(shí)驗(yàn)室的主任助理。王健教授作為第一項(xiàng)目負(fù)責(zé)人曾榮獲國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”等獎(jiǎng)項(xiàng)。

      王健教授的研究領(lǐng)域主要包括：（1）微納光電子器件與集成（硅基光波導(dǎo)、鈮酸鋰光波導(dǎo)、微環(huán)諧振器、光子晶體光波導(dǎo)、表面等離子體波導(dǎo)、石墨烯、超材料等）、（2）先進(jìn)高速光通信技術(shù)（模分復(fù)用和空分復(fù)用相干光通信、軌道角動(dòng)量光通信等），（3）先進(jìn)高速光信號(hào)處理技術(shù)（波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、光開(kāi)關(guān)、光邏輯、碼型轉(zhuǎn)換、信息交換等）

通訊作者安德魯·福布斯

      本篇論文另一位通訊作者是南非約翰內(nèi)斯堡的金山大學(xué)（WITS）物理學(xué)院結(jié)構(gòu)光實(shí)驗(yàn)室的安德魯·福布斯（Andrew Forbes）教授，其在 1998 年獲得了納塔爾大學(xué)（南非）的博士學(xué)位，2015 年 3 月，安德魯（Andrew）以杰出教授的身份加入威特沃特斯蘭德大學(xué)（又被稱(chēng)為金山大學(xué)，U. Witwatersrand），并在此建立了結(jié)構(gòu)光實(shí)驗(yàn)室。另外，F(xiàn)orbes 還是《光學(xué)與光學(xué)快報(bào)》雜志的編輯委員會(huì)成員，南非著名的物理學(xué)家。他和學(xué)生曾在 2015 年獲得 NSTF Photonics 獎(jiǎng)項(xiàng)。本論文的共同第一作者 Isaac Nape 和 Jun Lui 都是他的學(xué)生。