文 | 光子盒GZH

量子通信領域的最新進展凸顯了光相干性在量子網絡發展中的關鍵作用。這一資源作為量子互聯網相位架構的核心，不僅促成了多節點量子網絡的首次成功演示，還顯著拓展了量子密鑰分發（QKD）的通信距離。然而，基于相干性的量子協議依賴超穩定光腔和低溫光子探測器等專用硬件，使其可擴展性仍存在不確定性。

4月23日，東芝歐洲公司、波蘭波茲南超級計算和網絡中心、英國安格利亞魯斯金大學、荷蘭GIANT Vereniging組成的研究團隊在《Nature》發表題為“Long-distance coherent quantum communications in deployed telecom networks”（已部署電信網絡中的長距離相干量子通信）的研究論文，Mirko Pittaluga 為論文第一作者兼通訊作者。這是已知首例利用現有商用電信基礎設施實現相干量子通信的報道。

研究團隊在德國法蘭克福與Kehl之間的254公里商用電信網絡上實現了基于相干性的雙場量子密鑰分發（TF-QKD）協議，成功以110 bit/s的速率進行加密密鑰分發。研究通過可擴展的光相干分發方法、實用化系統架構以及離帶相位穩定輔助的非低溫單光子檢測技術，實現了這一成果。實驗表明，該系統在實際網絡環境中實現了類中繼量子通信，在無需低溫冷卻的情況下將實用QKD的通信距離提升至此前的兩倍。該網絡也是具備測量設備無關特性的最大規模QKD網絡之一。本研究將基于相干性的量子通信需求與現有電信基礎設施的能力相結合，這對于高性能量子網絡的未來發展具有重要意義，包括先進量子通信協議、量子中繼器、量子傳感網絡和分布式量子計算的實現。

光相干性——量子網絡的核心資源

量子網絡可傳輸理論上無法被竊聽的加密信息，其核心原理在于：對量子系統的測量會干擾信號的整體特性，從而暴露竊聽行為。無論量子或經典，密鑰加密都依賴于發送方和接收方共享的密鑰進行信息加解密。通過量子密鑰分發（QKD），發送方和接收方能夠在不安全信道上共享隨機密鑰，任何試圖截獲密鑰的竊聽者都會在光子觀測中引發異常，從而被檢測到。據光子盒研究院《2025全球量子安全產業發展展望》預測，到2035年全球量子密鑰分發市場規模將增長至55.58億美元。

其中，光相干性是構建量子網絡的核心資源。基于相位的量子互聯網架構依賴光相干性實現多節點糾纏和量子密鑰分發（QKD），例如雙場QKD（TF-QKD）協議可突破無中繼密鑰容量限制，將通信距離擴展至數百公里。然而，傳統相干協議依賴超穩定光腔和低溫超導納米線單光子探測器（SNSPD），這些專用硬件難以融入商用電信環境，限制了規模化應用。

隨著量子網絡向實用化邁進，開發與現有電信基礎設施兼容的相干通信技術至關重要。本文聚焦如何在無需專用低溫設備的前提下，通過可擴展架構和非低溫探測器（如雪崩光電二極管APD），在真實商用網絡中實現長距離相干量子通信，為突破技術瓶頸提供了新路徑。

構建兼容商用網絡的相干量子通信系統

• 系統架構與核心技術

實驗構建了三節點星型網絡，包括兩個發送端（Alice/Bob）和一個中繼接收端（Charlie），通過254公里光纖連接法蘭克福與Kehl，模擬真實電信環境。系統分為三層架構：

圖1：已部署的相干量子通信系統。

服務層：中央節點Charlie通過服務光纖向發送端分發雙光頻參考信號，實現激光頻率鎖定，消除相位噪聲。該設計避免了傳統超穩定激光器的復雜性，通過商用光纖和波分復用（DWDM）技術實現低成本相位參考分發。

管理層：通過現場可編程門陣列（FPGA）和服務器實現節點間同步與設備控制，確保納秒級時間同步精度，支撐高速量子信號處理。

量子層：執行TF-QKD協議，發送端利用光注入鎖定（OIL）技術將本地激光器鎖定至參考頻率，生成弱相干脈沖（WCP）；接收端通過APD探測器實現非低溫單光子檢測，結合離帶相位穩定技術抑制光纖相位噪聲。

• 相位穩定與噪聲抑制

粗相位穩定方面，通過離帶信號λ_s的干涉反饋，利用鈮酸鋰相位調制器實時補償光纖相位漂移，將相位噪聲標準差從8256 rad/s降至2.2 rad/s。

精相位穩定方面，在Bob端引入光纖拉伸器，針對協議信號λ_0進行細調，進一步將相位噪聲降至0.47 rad/s，確保雙路信號相位差穩定在0.1 rad以內。

極化穩定方面，通過自動極化控制機制，維持正交極化分量強度對比度達21 dB，抵消地下光纖的溫度漂移影響，提升信號傳輸穩定性。

圖2：光信號的路由。

• 協議實現與安全機制

采用“發送-不發送”型TF-QKD協議，結合四強度誘騙態方法（s, n, u, v）和主動奇奇偶校驗后處理技術，提升密鑰生成速率并抑制光子數分裂攻擊。通過高斯近似和有限密鑰效應分析，確保在不對稱鏈路條件下的安全密鑰提取，理論模型匹配實驗數據，驗證了協議在真實噪聲環境中的可行性。

實驗方案

研究使用GéANT網絡的253.9公里商用單模光纖，含56 dB損耗，中間在Kirchfeld設置中繼節點，形成不對稱鏈路（Alice-Charlie: 156.7 km，Bob-Charlie: 97.2 km）。探測器采用-30°C熱電冷卻APD替代低溫SNSPD，盡管暗計數率較高（約10^3 counts/s），但成本降低1-2個數量級，且兼容標準電信機架，為規模化部署奠定基礎。信號調制上，發送端通過強度和相位調制器生成120 ps脈寬、1 GHz重復率的弱相干脈沖，編碼四強度信號（s, n, u, v），接收端利用時間標記器記錄單光子事件時間，精度達納秒級。

Charlie的主激光器（L_s, L_0）生成1551.72 nm和1550.12 nm信號，經服務光纖傳輸后，發送端通過OIL技術鎖定本地激光器，實現跨節點相位同步，鏈路光程差通過120 km延遲光纖補償，確保相干長度匹配。在實驗室和現場環境中對比極化漂移，發現地下光纖的自然溫度穩定性優于實驗室可控環境，12小時內正交極化強度漂移小于4%，驗證了商用光纖的實用性。通過公共信道公布干涉結果，執行參數估計和密鑰篩選，利用主動奇奇偶校驗降低誤碼率，最終在7.5小時連續運行中實現110.1 bits/s的密鑰速率，量子比特誤碼率控制在4.61%-5.84%。

圖3：偏振漂移和穩定。

圖4：通道的相位穩定。

圖5：密鑰率。

自由漂移信號的干涉可見度達99.09%，粗穩定后降至97.15%，表明系統在復雜環境中仍保持高相干性。實驗結果超過基于相同探測器效率的無中繼密鑰容量上限（noisy SKC0），接近單中繼理論極限（SKC1），證明相干協議在長距離中的優勢。

邁向實用化量子網絡的關鍵一步

· 無需低溫冷卻器的可擴展量子網絡

科學家曾普遍認為，實現量子網絡需要昂貴設備，如低溫冷卻器。如今，這項新研究表明，“量子網絡在近期可能變得更具可擴展性和實用性”，論文一作Pittaluga表示。

研究首次在商用網絡中實現254公里TF-QKD，無需低溫設備，密鑰速率達110 bits/s，為同類技術的2倍以上，且成本降低兩個數量級。此外，兼容性方面，系統硬件（APD、商用光纖、標準機架）與現有電信基礎設施無縫集成，極化穩定性和相位控制技術適用于地下、架空等多種部署場景。

性能指標上，研究通過雙級穩定機制將相位漂移控制在0.47 rad/s，為協議執行提供了低噪聲環境。基于測量設備無關特性，抵御探測器側信道攻擊，密鑰生成速率滿足AES-256密鑰每秒刷新需求，適用于金融、政務等高頻加密場景。

星型架構支持節點無縫擴展，為構建城市級量子密鑰分發網絡提供了模板。通過調整光頻分發和相位穩定參數，可兼容衛星鏈路、海底光纜等長距離傳輸場景，為未來全球量子通信網絡奠定基礎。

· 非低溫檢測技術的突破

為克服光纖信號損耗，高性能量子密鑰分發系統常使用高靈敏度的超導納米線單光子探測器。新系統采用基于半導體的雪崩光電二極管（APD）進行單光子檢測，成本比超導探測器低1-2個數量級，且無需昂貴的低溫設備。

然而，APD的光子檢測效率約為超導探測器的1/4至1/6，且誤檢率高出數百倍。為解決這一問題，新系統在傳輸量子數據光束的同時發送參考激光脈沖，并在接收端使用兩組雪崩光電二極管：一組執行量子通信協議，另一組分析參考光束。研究發現，這種設計可校正由溫度、振動和光纖擾動引起的噪聲。

理論方面，研究驗證了光相干性在非理想環境中的可擴展性，證明商用硬件可替代專用低溫設備，推動量子通信從實驗室走向工程化。所提出的離帶相位穩定和多強度誘騙態方法，為后續量子中繼、分布式量子計算提供了關鍵技術參考。

本文通過在真實商用網絡中驗證長距離相干量子通信，證明現有電信基礎設施可支撐高性能量子密鑰分發，標志著量子通信從依賴專用硬件向兼容商用基礎設施的關鍵轉變，為未來規模化部署安全高效的量子網絡奠定了基礎。

邁向千兆赫茲速率

科學家面臨的另一挑戰是將所有組件集成到長期穩定運行的系統中。“在實驗室調試經歷了無數個不眠之夜，”Pittaluga說，“但緊密的團隊合作和對簡潔性的追求幫助我們挺了過來。”

總體而言，新系統將無低溫冷卻的實用量子密鑰分發距離提升至此前研究的兩倍，盡管其密鑰傳輸速率僅為110 bit/s。“將密鑰分發速率提升至110 bit/s以上是下一步，工程和研究層面均有途徑實現，”Pittaluga表示，“例如，一個直接的改進是提高協議的編碼速率。目前我們運行在500兆赫茲，利用現有技術提升至幾千兆赫茲觸手可及，僅此一項即可使密鑰速率提高約10倍。”

從長遠來看，量子中繼器是一個有前景的方向，研究界正在積極探索。“它們將顯著擴展安全量子鏈路的距離和性能，”他指出。不過，Pittaluga強調：“需要注意的是，每秒數百比特的密鑰生成速率未必是限制，具體取決于應用場景。在許多實際場景中，例如使用量子密鑰定期刷新經典對稱加密系統，這一速率其實已足夠。”

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-025-08801-w

[2]https://spectrum.ieee.org/quantum-key-distribution-commercial-fiber