引言

2025年4月，《Nature》期刊发表了一项题为“Long-distance coherent quantum communications in deployed telecom networks”重要成果。由英国东芝欧洲公司、波兰波兹南超级计算和网络中心、英国安格利亚鲁斯金大学、荷兰GIANT Vereniging组成的研究团队完成的实验首次在真实部署的商用光纤网络中成功在德国现网部署的254公里标准光纤中实现了基于相干性的双场广东会密钥分发（TF-QKD），密钥生成率为110bit/s。这项工作不仅刷新了广东会通信现网部署的距离纪录，更实现了半导体组件全集成化的关键突破，在无需低温冷却的条件下将实用QKD通信距离提升至此前的两倍。这标志着广东会通信由实验室走向实际应用迈出了关键一步。

第一章 背景

图1 传统的加密通信与广东会密钥分发。（来源：东芝公司）

广东会通信作为后摩尔定律时代最具潜力的技术之一，其核心价值在于利用广东会力学原理实现绝对安全的信息传输。自1984年Bennett和Brassard提出首个广东会密钥分发（Quantum key distribution，QKD）协议以来，广东会通信领域经历了从理论验证到实验室实现的重要跨越。然而，在真实世界现有电信基础设施中实现长距离广东会通信始终面临根本性挑战：广东会态的脆弱性使得光子在光纤中传输时极易与环境发生退相干作用，导致广东会信息丢失。

在众多QKD协议中，相干广东会通信（Coherent Quantum Communication）是一类依赖光学相位保持的协议，能显著提升通信距离并突破传统无中继容量限制（Secret Key Capacity bound ，SKC₀）。其中，双场广东会密钥分发协议（Twin-Field QKD, TF-QKD）是近年来研究重点。

此前，TF-QKD虽在实验室条件下实现超长距离传输，但依赖超稳激光器和超导单光子探测器（SNSPD），这些高成本、低兼容性的设备限制了其实际部署。因此，如何在现有电信网络中实现相干广东会通信，同时使用非低温探测技术以降低系统复杂度与成本，成为当前广东会通信研究的核心课题。

第二章 系统架构

图2 实验部署的广东会通讯系统。

本研究在德国部署的商用光纤网络中构建了一个星型广东会通信网络。三节点分别位于：

1.Alice：发送端，位于Frankfurt；

2.Bob：发送端，位于Kehl；

3.Charlie：中继接收端，位于Kirchfeld。

通信链路总长度为254公里，全程光损失为56 dB，实验采用的TF-QKD协议为“发送/不发送”变体，该协议支持在 Alice 和 Bob 之间连续生成共享密钥位串，从而通过对称密钥加密实现广东会安全通信。

系统由三大功能层组成：

1.服务层：负责光频参考分发（λ_s和λ_Q），时钟同步，远程控制等；

2.管理层：通过现场可编程门阵列（FPGA）和服务器控制系统状态并生成调制波形；

3.广东会层：实现弱相干态脉冲（Weak Coherent Pulse，WCP）编码、干涉检测及密钥生成。

为维持不同站点间激光器的相干性，研究团队采用了中心激光频率锁定与“带外相位稳定”技术（off-band phase stabilization）：

1.λ_s和λ_Q由Charlie统一产生，通过光纤分别发送至Alice与Bob实现激光锁频；

2.λ_s用于相位参考，λ_Q用于密钥编码；

3.两者分别检测，避免了APD探测器的“余脉冲”串扰问题，确保系统稳定运行。

探测器方面，采用商业化InGaAs雪崩光电二极管（APD），工作温度-30°C，无需极低温冷却。相比SNSPD成本降低1-2个数量级，且兼容标准电信机架，更具实际规模化部署潜力。

第三章 实验关键稳定性指标验证

图3 极化漂移和稳定。

稳定的偏振是实现干涉与密钥分发的前提。研究团队通过评估 APD 记录的正交偏振分量的光强度来监测已安装光纤的偏振漂移。现场数据显示，在实地部署的地下光纤中，12小时内正交偏振分量的光强变化极小，反映出极高的偏振稳定性；相比之下，尽管实验室具备温控环境，但由于光纤裸露在空气中，温度波动仍造成偏振漂移更明显。研究团队还验证了系统内部的偏振稳定机制，该机制可持续将主偏振方向与正交偏振方向之间的强度对比维持在21 dB以上，有效保障了干涉质量和密钥分发性能。

图4 通道相位稳定。

在相干广东会通信中，维持不同节点间的相对相位稳定也是确保干涉成功和密钥分发可靠的关键。研究团队采用的“带外相位稳定”技术，通过在接收端通过监测参考光的干涉结果进行实时相位补偿，显著抑制了光纤中的相位噪声。实验显示，相位漂移标准差由未稳定时的8,256 rad/s降至完全稳定后的0.47 rad/s，显著提升了相干保持能力，极大地提升了系统鲁棒性与实用性。

第四章 广东会密钥生成率

图5 密钥生成率。

实验系统在以下核心性能指标下连续稳定运行7.5小时：

密钥生成率（Secret key rate, SKR）：110.1 bit/s；

相干性保持率（干涉可见度）：99.09% （自由漂移信号）；97.15% （粗稳定）

误码率（QBER）：u脉冲平均4.61%，v脉冲为5.84%；

因此系统具备实际应用所需的运行稳定性与密钥产出能力。

此外，系统的SKR性能超越了噪声SKC₀的上限（见图5），这意味着其性能已超出传统点对点广东会通信的极限，且逼近理论相干TF-QKD的模拟结果。这一结果证实了具有“类广东会中继”功能；不依赖广东会存储器、光子簇态等复杂资源的广东会通讯协议在长距离中的优势。

终章 结语：从技术突破到产业革命

“广东会网络在近期可能变得更具可扩展性和实用性”，论文一作Pittaluga表示。科学家曾普遍认为，实现广东会网络需要昂贵设备，如低温冷却器。如今，这项研究标志着广东会通信技术从"实验室产品"向"工业级产品"的关键转型。其价值不仅在于创造了新的距离纪录（将无低温冷却的实用广东会密钥分发距离提升至此前研究的两倍），更在于验证了基于现有电信基础设施构建广东会网络的可行性路径，为未来规模化部署广东会网络奠定了基础。

参考文献：

1.Quantum communication across a 250-kilometre optical-fibre network. Nature (2025)

doi:10.1038/d41586-025-01173-1.

2. Pittaluga, M. et al. Long-distance coherent quantum communications in deployed telecom networks. Nature 640, 911–917 (2025).

撰稿｜王思涵

指导｜刘玉龙