上海交大王濤：量子通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建需解決四大問題

　　C114訊 9月11日消息(艾斯)第二十六屆中國國際光電博覽會(CIOE中國光博會)本周在深圳盛大開幕。在期間舉行的“2025國際量子技術(shù)科學(xué)前沿論壇”上，上海交通大學(xué)副教授王濤發(fā)表題為《連續(xù)變量量子通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)化研究》的重要演講，他不僅詳細(xì)梳理了量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程，同時(shí)針對量子通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)以及圍繞此展開的實(shí)踐成果進(jìn)行了深入分享。

　　據(jù)其介紹，上海交大重點(diǎn)打造了量子感知與信息處理研究所(QSIP)，研究方向包括量子通信、量子傳感、量子智能。目前該研究所受聘為“合肥國家實(shí)驗(yàn)室”基地單位、“上海量子科學(xué)研究中心”核心成員，并隸屬于“光子傳輸與通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”，且相繼獲得中國電子學(xué)會技術(shù)發(fā)明獎、湖南省自然科學(xué)獎等，可以說是成績斐然。

　　“量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展可以分為六個(gè)階段，其中前三個(gè)階段偏向于通信，后三階段偏向于計(jì)算。”王濤指出，量子通信網(wǎng)絡(luò)階段主要涉及點(diǎn)到點(diǎn)可信中繼QKD網(wǎng)絡(luò)、端到端量子中繼QKD網(wǎng)絡(luò)與糾纏分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(安全性提升)的構(gòu)建，量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)階段則將相繼經(jīng)歷量子存儲網(wǎng)絡(luò)、具有容錯(cuò)能力的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)以及通用量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)(算力增強(qiáng))不同時(shí)期。

　　根據(jù)《量子信息和量子技術(shù)白皮書》，量子通信技術(shù)的定義為利用量子比特作為信息載體進(jìn)行信息交互的通信技術(shù)。量子通信網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)量子密鑰分發(fā)功能。

　　量子通信網(wǎng)絡(luò)的基本單元分為基于離散變量(DV)編碼的量子比特(qubit)與基于連續(xù)變量(CV)編碼的量子模式(qumode)——也即光場量子化。資料顯示，基于連續(xù)變量的量子通信最大的特點(diǎn)是可以使用成熟的光通信器件，易于與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)融合，非常適合構(gòu)建未來的量子安全城域網(wǎng)。

　　王濤表示，目前，基于連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)性能已實(shí)現(xiàn)大幅提升。在上海交大參與的量子重點(diǎn)研究項(xiàng)目成果方面，不完全統(tǒng)計(jì)顯示，2011年，上海交大完成首個(gè)全量子集成系統(tǒng)(27.2km);2016年，上海交大完成首個(gè)超百公里的CVQKD實(shí)驗(yàn)(150km);2024年，上海交大完成首個(gè)Gbps安全碼率實(shí)驗(yàn)(1.09Gbps)。

　　量子通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建面臨關(guān)鍵挑戰(zhàn)

　　據(jù)其介紹，當(dāng)前基于連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)的主要研究趨勢包括——安全傳輸距離和安全成碼率不斷增加，達(dá)到高性能，傳輸距離200公里，碼率達(dá)到Gbps。但同時(shí)，當(dāng)前相關(guān)研究亦面臨著顯著的技術(shù)挑戰(zhàn)，首先是更長安全距離需要克服有限碼長效應(yīng);再者是更高成碼率需要提升實(shí)時(shí)后處理速率。

　　王濤分析道，目前量子通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建需要解決包括多用戶、小型化、融合性以及跨介質(zhì)在內(nèi)的四大問題。具體來看，在多用戶方面，需要保障用戶間信號不串?dāng)_;在小型化方面，需要實(shí)現(xiàn)QKD網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的小型化;在融合性方面，需要實(shí)現(xiàn)與經(jīng)典光網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作;在跨介質(zhì)方面，需要實(shí)現(xiàn)在光纖不可達(dá)的地方實(shí)現(xiàn)QKD接入。

　　“發(fā)展量子通信網(wǎng)絡(luò)的意義一方面在于進(jìn)一步擴(kuò)展QKD應(yīng)用范圍，另一方面也可為高階量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建奠定物理基礎(chǔ)。”他談到，目前包括上海交大量子感知與信息處理研究所團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的全球量子科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)針對這些挑戰(zhàn)展開了具體的技術(shù)攻關(guān)與試驗(yàn)，且取得顯著成果。

　　例如，在解決多用戶干擾方面，連續(xù)變量量子通信技技術(shù)特點(diǎn)與接入網(wǎng)場景適配，因此適合在經(jīng)典光纖接入網(wǎng)架構(gòu)中直接部署——也即形成連續(xù)變量量子接入網(wǎng)。同時(shí)，針對量子接入網(wǎng)中大量用戶接入時(shí)串?dāng)_大/成本高的問題，王濤教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于多頻率模式的連續(xù)變量量子通信接入網(wǎng)，通過往返式光學(xué)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)用戶僅需要1個(gè)信號調(diào)制器，便可支持網(wǎng)絡(luò)用戶靈活接入。

　　為探究連續(xù)變量量子接入網(wǎng)頻帶利用率極限，王濤教授團(tuán)隊(duì)還提出了一種基于多正交頻率模式(OFDM)量子接入網(wǎng)方案，攻克了針對網(wǎng)絡(luò)多徑效應(yīng)的循環(huán)前綴技術(shù)和正交頻分復(fù)用量子信號生成探測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)3個(gè)用戶安全成碼驗(yàn)證，安全成碼率總和達(dá)到4.06Mbps@25km。

　　此外，該團(tuán)隊(duì)在基于頻率時(shí)間混合模式的量子通感一體網(wǎng)以及基于多波長模式的并發(fā)CV-QKD網(wǎng)絡(luò)等方面亦取得了實(shí)質(zhì)性的研究成果，并針對此在國際權(quán)威刊物上發(fā)表了多篇重要論文。

　　眼下，通過對不同技術(shù)挑戰(zhàn)的持續(xù)攻關(guān)克服，其團(tuán)隊(duì)正在對量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的拓展。王濤教授介紹稱，“我們正在基于連續(xù)變量量子通信技術(shù)，將局端的量子通密一體化設(shè)備連接起來，構(gòu)建量子通信網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前，團(tuán)隊(duì)依托現(xiàn)有的實(shí)際光纖網(wǎng)絡(luò)，以上海交通大學(xué)教育網(wǎng)及大零號灣區(qū)域?yàn)楹诵�，�?gòu)建閔行區(qū)量子通密一體化網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)一步融入分布式量子傳感和計(jì)算的功能。”