毋庸置疑,，在人類社會的信息化發(fā)展歷程中,，光通信技術(shù)起到了舉足輕重的作用，該技術(shù)長距離發(fā)展的關(guān)鍵是摻鉺光纖放大器的研制,?？梢哉f，石英玻璃制作而成的光纖是上帝賜予人類的禮物,，而摻鉺光纖則是這份禮物之外的額外驚喜,。如果沒有摻鉺光纖(放大器)的成功研制，人類社會不會在近三十年里發(fā)生如此巨大的變化,。

經(jīng)典光通信是幸運(yùn)的,，低損耗的光纖加上無縫連接的光放大器解決了信息傳遞過程中十之八九的硬件困難。在經(jīng)典光通信發(fā)展的同時(shí),，一項(xiàng)更為安全（‘絕對’安全）的通信技術(shù)的研究也在三十年前悄然開始了,。與經(jīng)典光通信相區(qū)別，這項(xiàng)技術(shù)被稱作量子保密通信,，或簡稱量子通信,。其基本的思路是利用量子物理的基礎(chǔ)和資源，比如量子不可克隆定理,、量子測量不確定性（測不準(zhǔn)）關(guān)系,、量子相干疊加和量子糾纏資源等，實(shí)現(xiàn)密鑰信息的安全分發(fā),；在安全分發(fā)密碼信息的基礎(chǔ)上,，結(jié)合‘一次一密’的加解密算法，即可實(shí)現(xiàn)被信息理論所證明的‘絕對’安全的保密通信,。

原則上,，量子保密通信技術(shù)可以使用任意的可被傳輸?shù)牧孔酉到y(tǒng)作為密碼信息的載源。在眾多的量子信息載源中,，光子高速和高保真的傳輸特性,，使得其成為量子保密通信系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的信息載源。首個(gè)利用光子作為信息載源的量子保密通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),，搭建于上世紀(jì)九十年代初,，距今已經(jīng)過去了二十多年,。但到目前為止,，還沒有可實(shí)用的量子保密通信系統(tǒng)供人們使用,。相較于經(jīng)典光通信技術(shù)的發(fā)展歷程而言，基于光子的量子保密通信系統(tǒng)的發(fā)展腳步相當(dāng)緩慢,，盡管大量高水平的研究工作還在不斷的發(fā)表,，其實(shí)用化的前景仍需不斷探明,。

簡要說來，阻礙量子保密通信技術(shù)實(shí)用化發(fā)展的因素,，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

第一,，理想單光子源的實(shí)現(xiàn)。目前看來實(shí)現(xiàn)理想單光子源還是一個(gè)艱巨的任務(wù),。所幸的是在本世紀(jì)初,，多位學(xué)者提出并證明通過隨機(jī)地發(fā)射不同光強(qiáng)水平（平均光子數(shù)水平）的弱相干單光子波包（衰減的激光），可以實(shí)現(xiàn)在100公里量級地理尺度范圍內(nèi)（自由空間鏈路或者光線鏈路）的安全量子密鑰分發(fā),。（事實(shí)上,，直接使用衰減激光仍然可以實(shí)現(xiàn)安全的密鑰分發(fā)，但是通信記錄將局限在10公里量子的地理尺度內(nèi),，這是由于激光的統(tǒng)計(jì)特性和光子數(shù)分束攻擊決定的）

第二,，單光子探測器。目前單光子探測器的效率和暗噪聲,，相比與30年前,，都有了顯著的提升。比如,，美國NIST研制成功的超導(dǎo)納米線單光子探測器,，在1.5微米波段，其探測效率可以做到90%以上,，噪聲水平低于10Hz,。但是，五年前Markov等人發(fā)現(xiàn)了量子保密通信系統(tǒng)中的單光子探測器致盲攻擊漏洞,，這使得在過去20年左右時(shí)間內(nèi)研發(fā)的基于制備-測量方案的量子保密通信技術(shù),，都面臨著被拋棄的局面。所幸的是,，四年前來自多倫多大學(xué)的研究人員，提出并證明使用雙光子干涉輔助的量子保密通信技術(shù),，具有測量器件無關(guān)的安全特性,，可以從根本上彌補(bǔ)單光子探測器面臨的安全漏洞。同時(shí),，該方案還為未來的量子保密通信系統(tǒng)提供了‘星形’組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),。值得注意的是，在測量無關(guān)量子保密通信技術(shù)的安全性證明中,，仍然需要對光子源進(jìn)行安全性假設(shè),。近年來，‘器件’無關(guān)的量子保密通信協(xié)議和技術(shù)的研究是量子保密通信技術(shù)在測量器件無關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)上更為全面的發(fā)展,。

第三,，長距離量子保密通信及其網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn),。對比經(jīng)典光通信技術(shù)，量子保密通信技術(shù)的安全通信距離仍然受限,。其原因是光子態(tài)在傳輸過程中的損耗,、探測器的暗計(jì)數(shù)噪聲和測量系統(tǒng)的不完美。目前,，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,，量子保密通信的最長通信距離在300公里以內(nèi)。而與經(jīng)典光通信不同的是,，量子保密通信無法使用摻鉺光纖放大器之類的器件來進(jìn)一步提升通信距離,，這是由量子不可克隆定理決定的。盡管近年來來自澳洲的研究組提出并實(shí)驗(yàn)論證可預(yù)報(bào)的光量子態(tài)放大方案,，但是該技術(shù)方案還不能直接應(yīng)用到量子保密通信的實(shí)用化中,。另一個(gè)長距離量子保密通信和組網(wǎng)的方案是使用‘可信’中繼器的思路，這是一個(gè)擇中之舉,，其安全性由‘可信’中繼器的安全性決定,。具體地，‘可信’中繼器可以分為兩類,。一類是經(jīng)典‘可信’中繼,，這類中繼器的思路是做加法。比如,，要實(shí)現(xiàn)2000公里的長距離保密通信,，我們可以把20個(gè)100公里的量子保密通信基礎(chǔ)鏈路連接起來。在基礎(chǔ)鏈路連接的地方,，需要進(jìn)行‘量子-經(jīng)典-量子’的中繼操作,。按照這個(gè)辦法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，在其任意一個(gè)100公里距離長的系統(tǒng)內(nèi),，密碼分發(fā)的安全性都可以得到保證,；但是，在相鄰的兩個(gè)鏈路間的密鑰中繼的安全性還不能得到證明,。因此,，這需要在中繼處布置重兵把守，實(shí)現(xiàn)‘可信’中繼,。（這讓我想起當(dāng)年關(guān)羽將軍作戰(zhàn)時(shí),，使用中繼烽火臺作為后方和前線之間發(fā)送信號的通信方式。但最終關(guān)將軍也由于這項(xiàng)技術(shù)沒能成功通信,，而導(dǎo)致大意失荊州）,。另一類是量子‘可信’中繼。由于在該技術(shù)中,，我們無需像經(jīng)典‘可信’中繼那樣進(jìn)行‘量子-經(jīng)典-量子’的操作,，因此其安全性仍然受到量子力學(xué)物理基礎(chǔ)的保證,，所以人們直接稱其為量子中繼技術(shù)。具體的,，在該技術(shù)中需要使用量子糾纏資源,、量子存儲器和量子態(tài)測量作為其實(shí)現(xiàn)額物理基礎(chǔ)。在實(shí)現(xiàn)長距離量子糾纏分發(fā)的基礎(chǔ)上,，結(jié)合量子態(tài)傳遞技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)長距離的量子保密通信,。同時(shí)，該技術(shù)方案還可結(jié)合測量器件無關(guān)量子保密通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)長距離量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的組建,。

看起來,，（測量）器件無關(guān)量子保密通信技術(shù)結(jié)合量子中繼方案是實(shí)現(xiàn)未來全球保密通信技術(shù)的最終解決方案。然而,，量子中繼器的物理實(shí)現(xiàn)仍然是制約我們走向未來的屏障,。事實(shí)上，量子中繼器（量子存儲器）的研究工作已經(jīng)有接近二十年的研究,，其涉及的技術(shù)方案眾多,，最佳技術(shù)路線仍不明朗。在這方面,，摻雜稀有金屬離子的晶體（波導(dǎo)）是很好的固態(tài)材料體系,；相較于氣相的冷原子（離子）系統(tǒng)而言，固態(tài)材料體系更易實(shí)現(xiàn)和操控,，比如其不需對原子（離子）進(jìn)行捕獲等操作,。

目前，基于固態(tài)材料的量子存儲工作已有大量的報(bào)道,。但是,，從工程的角度來看，最佳的材料體系選擇仍不清楚,。盡管,，目前人們在600-800納米波段研制成功了較高質(zhì)量的固態(tài)量子存儲器件；但是,，實(shí)現(xiàn)1.5微米波段的量子存儲器還需要進(jìn)行大量的嘗試,，相應(yīng)的工作也將更有意義：一方面，在光通信的發(fā)展過程中,，人們已經(jīng)在該波段研制出大量成熟的器件技術(shù)；另一方面,，基于光纖的光通信波段量子保密通信技術(shù)也得到了大量的發(fā)展,。這些都將為未來的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)提供器件技術(shù)和基礎(chǔ)鏈路基礎(chǔ)。

從原子（離子）的光譜分析角度來看,，鉺離子具有研制1.5微米波段量子存儲器的物理潛力,。但是,，一直以來人們都沒有實(shí)現(xiàn)基于鉺離子的光量子態(tài)儲存；特別是基于摻鉺光纖的量子存儲更不易實(shí)現(xiàn),，因?yàn)殂s離子能級與非晶玻璃材料中的聲子過程相互作用更為繁復(fù),。基于這一原因,，一部分研究人員預(yù)言利用摻鉺光纖實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的存儲不具有可行性,。

而在今天，這一看似不可能的工作卻發(fā)表在了《Nature Photonics》上http://www./nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2014.311.html,；http:///abs/1409.0831,。在該工作中，來自加拿大卡爾加里大學(xué)的研究人員（Erhan Saglamyurek 和 Wolfgang Tittel 等）實(shí)現(xiàn)了摻鉺光纖中量子態(tài)的存儲和提取,。具體的,，他們通過將20米長的低摻雜摻鉺光纖制冷到0.8K的溫度，極大的抑制系綜的聲子過程,，進(jìn)一步結(jié)合原子頻率梳（Atomic Frequency Comb）協(xié)議實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的儲存,，實(shí)現(xiàn)了1.5微米波段光子態(tài)的存儲（存儲時(shí)間5 ns）和提取（提取效率約1%）,。大約二十年前,，摻鉺光纖放大器的發(fā)明為人類的光通信技術(shù)帶來了本質(zhì)的飛躍；今天,，人們也首次次的在摻鉺光纖中實(shí)現(xiàn)了量子信息的存儲（盡管目前各方面指標(biāo)還不理想,，存儲時(shí)間和效率等），不知這一突破是否能夠推動(dòng)人類信息技術(shù)的再一次發(fā)展呢,？

來源：周強(qiáng)科學(xué)網(wǎng)博客

作者周強(qiáng),，系電子科大光電信息學(xué)院講師