东芝欧洲的剑桥研究实验室(CRL)于今日宣布，其已实现世界首次600公里级的光纤量子通信演示。这一突破将使大都市区之间的长距离量子安全信息传输成为可能，是构建未来量子互联网的重大进步。

量子互联网是一种通过长距离量子通信链路连接的全球量子计算机网络。预计它将允许在云中实现超快速的最优化问题解决方案、更准确的全球授时系统和高度安全的信息通信。近年来，美国、欧盟和中国已经宣布了几项建设量子互联网的大型政府计划。

构建量子互联网最困难的技术挑战之一是如何通过长光纤传输量子比特的问题。环境条件的微小变化（例如温度波动）会导致光纤膨胀和收缩，从而扰乱脆弱的量子比特，这些量子比特被编码成光纤中弱光脉冲的相位延迟。

现在，东芝通过引入一种新颖的“双波段”稳定技术，创造了光纤量子通信的新传输距离记录。它会发送两个不同波长的光参考信号，以最大程度地减少长光纤上的相位波动。第一个波长用于抵消快速变化的波动，而第二个波长与光量子比特的波长相同，用于相位的微调。

在部署这些新技术后，东芝发现即使在通过100公里的光纤传播后，也可以将量子信号的光学相位保持在波长的几分之一以内，精度可达10纳米。如果没有及时消除这些波动，光纤随着温度的变化会膨胀或收缩，导致扰乱到量子信息。

双频段稳定技术的第一个应用将是长距离量子密钥分发(QKD)。商业QKD系统目前仅能在大约100-200公里的光纤内传输。2018年，东芝提出双场QKD协议作为扩展距离的一种方法，并使用短光纤和衰减器测试了其对光损耗的恢复能力。这次通过引入双频段稳定技术，东芝现已在长光纤上实施双场QKD，并全球首次演示了超过600公里的QKD。

这一进展的细节发表在今天的科学期刊《自然光子学》上。这项工作由欧盟通过H2020项目OpenQKD提供部分资助。该团队现在正在设计拟议的解决方案，以简化他们未来的采用和部署。
 
该文章的第一作者Mirko Pittaluga评论道：“这是一个非常令人兴奋的结果。借助我们开发的新技术，QKD通信距离实现进一步延长仍然是有可能的，我们的解决方案也可以应用于其他量子通信协议和应用程序。”

东芝欧洲量子技术部主管Andrew Shields表示：“近年来，QKD已被用于保护城域网。这一最新进展扩展了量子链路的最大跨度，因此可以在不使用受信任的中间节点的情况下连接跨国家和大洲的城市。它与卫星QKD方案一起，将使我们能够建立一个全球量子保密通信网络。”

东芝公司高级副总裁兼首席数字官岛田太郎表示：“凭借在量子技术方面的成功，东芝愿意进一步快速扩展其量子业务。我们的愿景是打造一个量子信息技术服务平台，它不仅可以实现全球范围内的安全通信，还可以实现基于云的量子计算和分布式量子传感等转型技术。”

与其他现有的安全解决方案不同，量子密码学的安全性直接源自于用来描述我们周围世界的物理定律，因此它可以抵御未来数学和计算的任何进步(包括量子计算机)。有鉴于此，QKD有望成为企业和政府保护关键业务通信的重要工具。（编译:Qtech）