光纖量子通信迎來新突破 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）教授和他的團隊，以及中國武漢的華中科技大學(xué)光電子科學(xué)與工程學(xué)院王健（Jian Wang）帶領(lǐng)的團隊共同提出，全球量子網(wǎng)絡(luò)需要長距離分布糾纏態(tài)，可以通過一條傳統(tǒng)的光纖鏈路，就能實現(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)光纖進行部署。該項研究成果于1月25日登在了知名科學(xué)期刊《Science Advances》（科學(xué)進步）上。

      該論文的通訊作者 Forbes 教授在接受鈦媒體采訪時表示，新的研究成果是一項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，以及利用光模式進行的高維通信的優(yōu)勢結(jié)合在一起，對網(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的電影和社交媒體。但如今，我們也開始認(rèn)識到信息安全的重要性。這項研究成果，通過光纖量子數(shù)據(jù)傳輸新方式，使數(shù)據(jù)更加安全，不管哪個國家有什么樣的技術(shù)，我們的工作是建立一個基本安全的量子網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，而這項研究成果是其中重要的一步。”Forbes 對鈦媒體表示。

      更為重要的是，F(xiàn)orbes 在與鈦媒體采訪時提及，該研究成果或?qū)⒃谖磥硗ㄟ^金磚國家發(fā)展合作機制，進行更密切的深度合作。中非兩國強強聯(lián)合，抵抗網(wǎng)絡(luò)安全危機，意義深遠(yuǎn)而重大。

      一項打破技術(shù)瓶頸的量子通信研究

      2019年，量子在人類科技進步中書寫了濃墨重彩的一筆。谷歌的實驗證明了“量子優(yōu)越性”，揭示量子計算具有超越經(jīng)典超級計算機的計算能力；量子物理學(xué)打破了規(guī)則，允許熱量穿過真空，讓我們真切感受到量子維度上的波動效應(yīng)等等。

      事實上，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，量子技術(shù)正逐漸走進千家萬戶當(dāng)中，成為未來科學(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)基本原理來保證密鑰分配過程的無條件安全性。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，即兩個經(jīng)過耦合的微觀粒子，在一個粒子狀態(tài)被測量時，同時會得到另一個粒子的狀態(tài)。

      簡單來說，量子通信就是提供無條件安全量子網(wǎng)絡(luò)的通信方式。

      按照該論文的說法，當(dāng)前的通信系統(tǒng)非?？欤菑母旧蟻碚f，這并不是絕對安全的。而 Forbes 和王健團隊的科研人員，希望打破目前的技術(shù)瓶頸，不再利用定制化的光纖電纜，通過傳統(tǒng)單模光纖方式，實現(xiàn)高維編碼，即多維糾纏傳輸模式，讓通信更安全。

兩個光子糾纏在一起，本圖主要體現(xiàn)在單模光纖上，可以實現(xiàn)多維糾纏傳輸。（來源：科學(xué)進步論文）

      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。以兩個自由度扭曲、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，表明可以實現(xiàn)無數(shù)個二維子空間。

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

      關(guān)于中非兩國科研人員在本研究當(dāng)中的分工，F(xiàn)orbes 對鈦媒體表示，王健的團隊帶來更好的光纖專業(yè)知識，而 Forbes 團隊擁有量子方面的專業(yè)研究，兩者屬于強強聯(lián)合，希望實現(xiàn)未來量子網(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)、武漢光電國家實驗室的王健教授，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)任該專業(yè)的副教授、博士生導(dǎo)師等，他還是美國南加州大學(xué)博士后，王健教授還有一個職位，是華中科技大學(xué)光電子器件與集成功能實驗室的主任助理。王健教授作為第一項目負(fù)責(zé)人曾榮獲國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃”等獎項。

      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、軌道角動量光通信等），（3）先進高速光信號處理技術(shù)（波長轉(zhuǎn)換、光開關(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)光實驗室的安德魯·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)（又被稱為金山大學(xué)，U. Witwatersrand），并在此建立了結(jié)構(gòu)光實驗室。另外，F(xiàn)orbes 還是《光學(xué)與光學(xué)快報》雜志的編輯委員會成員，南非著名的物理學(xué)家。他和學(xué)生曾在 2015 年獲得 NSTF Photonics 獎項。本論文的共同第一作者 Isaac Nape 和 Jun Lui 都是他的學(xué)生。