光纤量子通信迎来新突破，中非两国科学家提出未来网络安全新方案

钛媒体快讯 | 1月26日消息，近日，南非约翰内斯堡的金山大学（WITS）物理学院安德鲁·福布斯（Andrew Forbes）教授和他的团队，以及中国武汉的华中科技大学光电子科学与工程学院王健（Jian Wang）带领的团队共同提出，全球量子网络需要长距离分布纠缠态，可以通过一条传统的光纤链路，就能实现多维纠缠传输模式的新方法，这将有助于在传统网络中跨传统光纤进行部署。该项研究成果于1月25日登在了知名科学期刊《Science Advances》（科学进步）上。

该论文的通讯作者 Forbes 教授在接受钛媒体采访时表示，新的研究成果是一项为大众造福的光纤量子通讯技术，将现有的量子通信与偏振光子的优势，以及利用光模式进行的高维通信的优势结合在一起，对网络安全以及数据传输领域有着非常重要的作用。

“普通人总是想要更好的通信系统，更快地下载他们喜爱的电影和社交媒体。但如今，我们也开始认识到信息安全的重要性。这项研究成果，通过光纤量子数据传输新方式，使数据更加安全，不管哪个国家有什么样的技术，我们的工作是建立一个基本安全的量子网络形态，而这项研究成果是其中重要的一步。”Forbes 对钛媒体表示。

更为重要的是，Forbes 在与钛媒体采访时提及，该研究成果或将在未来通过金砖国家发展合作机制，进行更密切的深度合作。中非两国强强联合，抵抗网络安全危机，意义深远而重大。

一项打破技术瓶颈的量子通信研究

2019年，量子在人类科技进步中书写了浓墨重彩的一笔。谷歌的实验证明了“量子优越性”，揭示量子计算具有超越经典超级计算机的计算能力；量子物理学打破了规则，允许热量穿过真空，让我们真切感受到量子维度上的波动效应等等。

事实上，量子力学也在不断影响着我们生活，其构建起非常精确的原子钟，使 GPS 卫星全球定位、导航等技术成为可能。可以这样说，量子技术正逐渐走进千家万户当中，成为未来科学发展的一部分。

而在本篇论文，讲的是基于纠缠态的量子通信话题。量子通信是量子网络当中最为关键的一部分，融合了现代物理学和光通信技术研究的成果，由物理学基本原理来保证密钥分配过程的无条件安全性。量子密钥分发（QKD）根据所利用量子状态特性的不同，可以分为基于测量和基于纠缠态两种。

而本论文提到的“基于纠缠态的量子通信”，就是其中之一，即两个经过耦合的微观粒子，在一个粒子状态被测量时，同时会得到另一个粒子的状态。

简单来说，量子通信就是提供无条件安全量子网络的通信方式。

按照该论文的说法，当前的通信系统非常快，但是从根本上来说，这并不是绝对安全的。而 Forbes 和王健团队的科研人员，希望打破目前的技术瓶颈，不再利用定制化的光纤电缆，通过传统单模光纤方式，实现高维编码，即多维纠缠传输模式，让通信更安全。

两个光子纠缠在一起，本图主要体现在单模光纤上，可以实现多维纠缠传输。（来源：科学进步论文）

Forbes 表示，这篇论文的新颖之处在于，其展示了传统单模光纤中的多维纠缠传输，很好的平衡了网络兼容性和通信安全性。以两个自由度扭曲、偏振被扭曲以形成螺旋光，图案也是如此，用于量子通信领域实践当中。事实上，他们还在论文当中还展示了在 250m 的单模光纤上的多维纠缠态的转移，表明可以实现无数个二维子空间。

Forbes 告诉钛媒体，接下来，他们还将做更多的测试，并且需要做 100 公里以上的测试环境，希望尝试开发新的量子协议等等。

关于中非两国科研人员在本研究当中的分工，Forbes 对钛媒体表示，王健的团队带来更好的光纤专业知识，而 Forbes 团队拥有量子方面的专业研究，两者属于强强联合，希望实现未来量子网络的新范例。

（本文首发钛媒体，作者 | 林志佳，编辑 | 赵宇航）

论文作者介绍

王健

本篇论文的通讯作者之一是华中科技大学、武汉光电国家实验室的王健教授，1981 年 7 月生，其毕业于华中科技大学的光电子科学与工程学院，之后一直担任该专业的副教授、博士生导师等，他还是美国南加州大学博士后，王健教授还有一个职位，是华中科技大学光电子器件与集成功能实验室的主任助理。王健教授作为第一项目负责人曾荣获国家优秀青年科学基金、教育部“新世纪优秀人才支持计划”等奖项。

王健教授的研究领域主要包括：（1）微纳光电子器件与集成（硅基光波导、铌酸锂光波导、微环谐振器、光子晶体光波导、表面等离子体波导、石墨烯、超材料等）、（2）先进高速光通信技术（模分复用和空分复用相干光通信、轨道角动量光通信等），（3）先进高速光信号处理技术（波长转换、光开关、光逻辑、码型转换、信息交换等）

通讯作者安德鲁·福布斯

本篇论文另一位通讯作者是南非约翰内斯堡的金山大学（WITS）物理学院结构光实验室的安德鲁·福布斯（Andrew Forbes）教授，其在 1998 年获得了纳塔尔大学（南非）的博士学位，2015 年 3 月，安德鲁（Andrew）以杰出教授的身份加入威特沃特斯兰德大学（又被称为金山大学，U. Witwatersrand），并在此建立了结构光实验室。另外，Forbes 还是《光学与光学快报》杂志的编辑委员会成员，南非著名的物理学家。他和学生曾在 2015 年获得 NSTF Photonics 奖项。本论文的共同第一作者 Isaac Nape 和 Jun Lui 都是他的学生。

论文地址：

https://advances.sciencemag.org/content/6/4/eaay0837

参考来源：

https://www.eurekalert.org/multimedia/pub/222106.php

https://www.wits.ac.za/staff/academic-a-z-listing/f/andrewforbeswitsacza/

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