近日，清華大學(xué)物理系龍桂魯教授團(tuán)隊與電子系陸建華教授團(tuán)隊合作，設(shè)計和實現(xiàn)了一種相位量子態(tài)與時間戳量子態(tài)混合編碼的量子直接通信新系統(tǒng)，通信距離達(dá)到百公里，實現(xiàn)了當(dāng)前世界最長的量子直接通信距離。這樣的指標(biāo)可以在無中繼條件下實現(xiàn)城市之間的點對點量子直接通信，同時可以支撐基于安全經(jīng)典中繼建立的廣域量子網(wǎng)絡(luò)的一些應(yīng)用。

2000年，龍桂魯教授提出了量子直接通信的第一個協(xié)議。量子直接通信以量子態(tài)作載體來編碼和傳輸信息，是量子保密通信的新范式。量子直接通信將噪聲信道下的可靠通信發(fā)展為噪聲和竊聽信道下的可靠和安全通信。2016年清華大學(xué)和山西大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊完成了量子直接通信的第一個實驗演示。2017年，中國科技大學(xué)、南京郵電大學(xué)和清華大學(xué)的相關(guān)團(tuán)隊分別完成了基于糾纏的量子直接通信演示實驗。2019年，龍桂魯教授團(tuán)隊和陸建華教授團(tuán)隊合作，成功研制了國際上第一個量子直接通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了1.5km光纖距離下50bps的安全通信速率。2020年，他們在中關(guān)村論壇發(fā)布了世界首款實用化量子直接通信樣機(jī)，實現(xiàn)了10公里光纖中4kbps的傳輸速率，同年他們將通信距離進(jìn)一步提升到了18公里。

實驗裝置示意圖

在以前的系統(tǒng)中，抽樣檢測和信息傳輸全部采用相位量子態(tài)。新系統(tǒng)采用了相位量子態(tài)和時間戳量子態(tài)的混合編碼，時間戳量子態(tài)用于抽樣檢測，大大降低了噪聲的影響。而通信依然采用具有自補(bǔ)償性能的相位量子態(tài)。因而新系統(tǒng)具有高度的穩(wěn)定性和極低的本征誤碼率（沒有竊聽時的誤碼率），結(jié)合具有更強(qiáng)糾錯能力的極低碼率LDBCH編碼，有效提高了安全通信容量、距離和速率。(來源：清華大學(xué)）

新系統(tǒng)在50MHZ激光脈沖頻率下將最大可容忍損耗從5.1dB提升到18.4dB，在商用低損耗單模光纖中的最遠(yuǎn)通信距離達(dá)到了100公里，突破了之前18公里的最長距離。新系統(tǒng)的通信速率也得到了提高，在30公里的光纖距離，通信速率達(dá)到22.4kbps。新系統(tǒng)在激光脈沖頻率上還有大的提升空間，相應(yīng)的通信距離、速率有望進(jìn)一步提升，滿足部分場景的應(yīng)用需求。

成果發(fā)表在期刊《光科學(xué)與應(yīng)用》（Light-Science&Applications）上，2017級博士生張浩然（導(dǎo)師王崇愚院士）和2016級博士生孫臻（導(dǎo)師陸建華院士）為共同第一作者。物理系龍桂魯教授和信息國家研究中心殷柳國研究員為共同通信作者。