初めての試みです!私の国における量子通信の新たな進歩

最近、北京量子情報科学研究所の袁志良氏のチームは、光周波数コム技術を使用して、オープンアーキテクチャのデュアルフィールド量子鍵配布システムを初めて実現し、615キロメートルの光ファイバー量子鍵配布実験を完了しました。当該研究成果は、2023年2月18日に国際学術誌「Nature Communications」に掲載されました。

量子鍵配布は、量子物理学の基本原理とワンタイムパッド暗号化方式に基づいており、無条件の安全な通信を実現できます。 2018年、英国の東芝欧州研究所は、セキュアコーディングレートがチャネル減衰の平方根に比例して減少することを可能にする新しいデュアルフィールドプロトコルを提案しました。これにより、中継なしで符号化レートの限界を突破することができ、500キロメートルを超える光ファイバー量子通信を実現するための実現可能なソリューションとなります。デュアルフィールド プロトコルの実装では、サードパーティのリモート ノードで安定した単一光子干渉を実現するために、異なる場所にある 2 つの独立したレーザー ソースが必要ですが、通信する 2 つの当事者のレーザー ソース間のわずかな周波数差と、長距離光ファイバーによって発生する急速な位相ドリフトが干渉に大きな影響を与えます。現在、従来の解決策は、2 つの離れた場所の間に伝送媒体としてサービス光ファイバーを敷設し、時間周波数伝送や光位相同期ループなどの技術を使用して、2 つの場所にあるレーザー ソースの周波数同期を完了することです。この閉じた光ファイバーアーキテクチャ (図 a を参照) は、マルチノードの広域量子セキュリティネットワークアプリケーションには非常に不利です。

a) 従来のクローズドファイバーアーキテクチャ

b) 北京量子工学研究所が開発したオープンアーキテクチャ

袁志良氏のチームは、独自に開発したコヒーレントサイドバンド位相安定化と遠隔レーザー光源周波数較正技術に基づき、初のオープンアーキテクチャ、サービスフリー、光ファイバーフリーの新しいデュアルフィールド量子鍵配布システム（図b参照）を開発しました。このシステムは、400キロメートル、500キロメートル、600キロメートルレベルの低損失光ファイバーでの安全な符号化を実現し、リレーフリー量子鍵配布の符号化率の限界を打ち破りました。また、腕の長さの差が100キロメートル（現在の最長腕の長さの差の記録）の量子鍵配送実験にも成功しました。

これまでの実験結果と比較すると、量子信号光の位相ドリフト率は1,000倍以上減少し、位相参照光のノイズの影響が大幅に減少し、光ファイバー量子鍵配送の距離を1000キロメートルレベルに突破するのに役立っています。光周波数コムに基づくオープンアーキテクチャは、将来、マルチユーザーおよびマルチノードの都市間量子セキュリティネットワークの構築に役立ち、単一光子干渉に基づく分散型量子ネットワークにとって大きな意義を持ちます。

この研究は中国国家自然科学基金の支援を受けて行われました。

論文リンク:

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36573-2

出典：「北京国際科学技術イノベーションセンター」公式アカウント