量子通信以量子密钥分发为先导，迅速发展成为实用的大规模网络。量子密钥分发系统通常包括一个发送方“Alice”和一个接收方“Bob”，他们通过量子测量生成共享秘密，以实现安全通信。虽然基于光纤的系统非常适合大城市规模，但合适的光纤基础设施并不总是到位。
在《npj量子信息》(npj Quantum Information)杂志的一篇新报告中，Andrej Kržič和一个科学家团队开发了一种基于纠缠的自由空间量子网络：该平台为城域应用提供了一种实用、高效的替代方案。
“Towards metropolitan free-space quantum neTWorks”
该团队引入了一个自由空间量子密钥分发系统，以展示其在现实应用中的使用，从而为在未来的全球量子互联网中建立自由空间网络作为城域应用的可行解决方案做好准备。
量子通信通常旨在在两方或多方之间分发量子信息。量子网络的一系列革命性应用为工程设计全面的量子互联网提供了路线图。
基于纠缠的城域自由空间网络。a) 位于中心的标准化纠缠服务器（ES，黑盒子）将纠缠光子流输入网络。自由空间信道用于连接远处的建筑和大都市的部分区域，而光纤连接仍可作为补充方式使用，例如，用于连接中心建筑内的办公室。b) 相应的物理层网络拓扑结构。在量子通信层，网络是一个成对连接的网状结构，因此每个终端用户都可以与任何其他终端用户通信（图中未显示）。
此次的新发明提供了一个由具有不同链接和互连的特殊目的子网络组成的异构网络；量子密钥分发网络的概念推动了这一发展，为其他分布式量子信息处理方法铺平了道路，从而为量子网络的总体技术成熟度设定了基准。
具体来说，在这项工作中，Kržič及其同事描述了一种用于确保峰会、会议和其他活动通信安全的城域自由空间网络架构，在没有端到端光纤连接的情况下，该架构还具有补充现有网络基础设施的额外能力。量子物理学家围绕中央纠缠服务器构建了该架构，将纠缠光子流传输给网络用户。
他们构建了这一架构的关键构件，包括适用于大都市应用的便携式、高可见度纠缠光子对源，并为日间功能配备了专用滤波器。最终，物理学家们在1.7千米的现实场景中进行了量子密钥分发实验，展示了在夜间和白日下实现创纪录的每秒千字节速率的能力。
实验装置。纠缠光子源(EPS)充当服务器，在810纳米波长处产生一对偏振纠缠光子。每对光子中的一个通过单模光纤发送给爱丽丝，而另一个则通过一个发射器和一个接收器望远镜（Tx 和 Rx）跨越的自由空间链路发送给鲍勃。波长为1064 nm的信标激光器(BL)会产生一束参考光束，这束参考光束会在分色镜(DM)上与量子信号结合，并在自由空间链路上与量子信号共同传播。在鲍勃处，由四个位置敏感探测器(4xPSD)组成的专用模块对信标光束进行分析，为两个快速转向(FSM)产生反馈信号，进而稳定光束。爱丽丝和鲍勃都拥有一个量子接收子系统（QRS-A 和 QRS-B），用于生成秘钥。为了清楚起见，这里省略了与本实验无关的光学元件。这里显示的自由空间链路是位于德国耶拿的弗劳恩霍夫IOF和耶拿市镇之间的1.7千米链路。
研究人员开发了一种网络架构，其中的纠缠光子源可帮助服务器将纠缠流传输到由自由空间链路构建的大都市规模的网络中：科学家们选择将纠缠服务器放置在中央高层建筑中。
每个用户都拥有一个量子接收器子系统，用于检测量子态的剖析结构。研究小组通过引入多个纠缠服务器，通过中央信任模式相互连接，将纠缠分发到用户，从而轻松扩展了网络规模。物理学家们希望纠缠服务器能作为一个方便的接口，将一个大都市的自由空间网络连接到一个更大的城际网络的光纤主干上。
Kržič和他的团队开发了一个专门用于大都市应用的量子通信系统，该系统由必要的关键构建单元组成，可在不到一天的时间内在一个新地点实现自由空间量子网络。除了电力供应之外，该平台不需要任何基础设施。该系统类似于网络中的爱丽丝-鲍勃(Alice-Bob)段，其中纠缠服务器在810纳米波长处生成一对偏振纠缠光子：其中一个通过单模光纤发送给爱丽丝，而鲍勃则通过自由空间链路接收另一个。
闭环稳定系统有助于实现长期功能，鲍勃和爱丽丝都拥有一个量子接收子系统。鲍勃的版本有专门设计的光谱和空间过滤模块，以便在日光下工作，而爱丽丝的版本则不需要专门过滤日光噪声。
最终，研究小组利用商用无线电天线实现了爱丽丝与鲍勃的量子接收子系统之间的经典信道。
自由空间量子密钥分发演示。图中显示了不同链路条件下鲍勃的单光子计数率、量子比特错误率以及相应的安全密钥率。白天的实验（左图）在中午前后开始，链路完全暴露在直射阳光下。随后，由于云层的移动，阳光时强时弱。在夜间实验（右图）中，背景噪声可以忽略不计，因此性能要稳定得多。
量子工程师利用该系统在德国耶拿的一个地点与1.7千米外公共服务大楼顶部的一个临时集装箱之间建立了量子链路。他们在背景噪声相对较高的夜间和白天进行了两次实验，根据量子比特错误率和可实现的安全密钥率对系统性能进行了基准测试。科学家们将鲍勃检测到的计数率分为信号和背景噪声两部分，其中包括气象站测量到的太阳辐射。
通过这种方式，安德烈-克日奇和团队开发出了一种基于纠缠的自由空间量子网络架构，作为大都市规模的可行解决方案。他们在不同条件下实现了高达5.7kbps的安全传输速率，表明其有能力全天候运行，以促进城市的全面覆盖。
进一步，他们探索了高维纠缠、以提高每个光子的信息容量、安全性和对噪声的鲁棒性。纠缠的分布是量子密钥分发以外的多种应用的核心，包括量子时钟同步和量子密码学。
[1]https://phys.org/news/2023-10-metropolitan-free-space-quantum-networks.html
[2]https://www.nature.com/articles/nature23655
[3]https://www.nature.com/articles/s41534-023-00754-0
