意大利帕多瓦大学：新型全光纤器件促进全球量子加密网络建设

日常生活中，例如银行交易与网上购物，都会涉及到隐私与安全。为了保证信息安全，采用加密技术很有必要。在传统密码学中，信息的发送者和接收者预先决定加密代码即密钥，只有密钥可以解密这些加密信息。

要破解这些加密信息，需要先搞清楚加密某一段数据的精确算法。这些算法往往非常复杂，所以目前破解这些加密信息难度非常大，也就是说加密的信息是相对安全的。可是，在未来十年或者二十年内，计算机将变得越来越强大，有可能会破解当今一切基于算法的加密信息。

因此，研究新的加密技术显得很有必要。其中一种典型的新技术就是：量子密钥分发（QKD）。量子密钥分发并不是依赖于数学，而是采用光线的量子特性例如偏振，去编码以及发送解密编码数据的随机密钥。这个方法特别安全，因为任何的第三方入侵都会被检测到。

创新

意大利帕多瓦大学（UniversityofPadova）的研究人员在美国光学学会（OSA）期刊《光学快报（OpticsLetters）》上报告称，他们的全光纤器件每秒可切换光线的偏振超过10亿次。该器件也是自补偿式的，对于温度和其他环境变化不敏感。

在“量子未来（QuantumFuture）”研究小组中，在论文合著者PaoloVilloresi的配合下领导这项研究的GiuseppeVallone表示：“量子密钥分发预计将对公民的隐私和安全产生深刻的影响。我们的方案简化了自由空间通信所用的量子密钥分发。自由空间通信是指例如卫星到地球，或者移动终端之间的通信。实现全球量子网络需要自由空间通信。”

技术

因为量子密钥无法很好地跨越长距离的光纤网络开展工作，所以开发一个基于卫星的量子通信网络将全世界范围内不同的地基量子加密网络连接起来，显得迫在眉睫。

尽管光线的各种不同的特性可用于创造量子加密所需的量子状态，然而偏振却特别适合自由空间链接，因为它不会受到大气的影响，而且在接收器端进行解码，也无需将数据汇集到单模光纤中（这是一项颇具挑战性的任务）。

Vallone表示：“我们的目标是开发一个可在卫星与地面之间使用的量子加密方案，密钥在轨道上生成。然而，如今的偏振解码器也不适合应用于太空，因为它们不稳定、昂贵且复杂。它们甚至表现出会减弱协议安全性的边信道漏洞。”

研究人员称这种新型偏振编码器为“POGNAC”，POGNAC是由POlarization（偏振）与SaGNAC（萨格纳克）两个词结合而成。在光纤环形萨格纳克干涉仪的帮助下，这种偏振编码器能迅速旋转入射激光的偏振。该装置可将光束一分为二，两束光的偏振相互垂直。然后，两束光分别沿着顺时针与逆时针方向通过光纤环路。目前的组件可以放到15x5x5厘米的包装中，如果包含的组件更小，那么包装还可以进一步小型化。

在光纤环路中，研究人员使用了市场上可以买得到的电光学调制器，来改变偏振，创造出量子密钥分发所需的量子状态。因为顺时针和逆时针的光线在不同时间到达调制器，所以它们被各自独立地调制。

调制器采用一个外加电压改变光学相位。然而，相移的绝对值取决于许多随时间变化的参数。Vallone表示：“在POGNAC中，只有两个偏振光之间的相对位移是有意义的，这个相对位移对应于输出偏振中的变化。于此同时，由温度变化和其他因素产生的位移是自修正的。这使得POGNAC非常稳定，并消除了影响其他器件的偏振漂移。”

价值

研究人员通过测量POGNAC产生的量子状态的偏振，以及将它们与期望值进行比较，测试了他们的新型器件。他们测得一个内禀的量子误码率（QBER）低至0.2%，远低于典型量子密钥分发系统1%~2%的量子误码率。

Vallone表示：“我们成果表明，数据能以一种简单且高效的方式，采用光的偏振来编码。我们仅采用市场上可以买得到的元件就可以实现这种编码。”

研究人员们正在持续改善他们的方法，并计划展开进一步测试，来观察POGNAC在编码用于加密的量子密钥时的表现。