量子通信已经迅速发展到基于量子密钥分配的实用大规模网络，这是这一进程的先锋。量子密钥分发系统通常包括一个发送者“Alice”和一个接收者“Bob”，他们从量子测量中生成一个共享的秘密，用于安全通信。尽管基于光纤的系统非常适合城域规模，但合适的光纤基础设施可能并不总是到位。
在npj量子信息的一篇新报告中，Andrej Kržič和一组科学家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个实用、高效的替代方案。该团队介绍了一个自由空间量子密钥分发系统，以展示其在实际应用中的应用，并预期将自由空间网络建立为未来全球量子互联网城域应用的可行解决方案。
量子通信网络
量子通信的典型目标是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构建成熟的量子互联网提供了路线图。本发明提供了具有不同链路和互连的专用子网的异构网络。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，从而对量子网络的技术成熟度进行了基准测试。
在这项工作中，Kržič及其同事描述了一种城域自由空间网络架构，用于在峰会、会议和其他活动中确保通信安全，并在没有端到端光纤连接的情况下，增加了补充现有网络基础设施的容量。量子物理学家围绕中央纠缠服务器构建了这个架构，将纠缠光子传输给网络用户。
他们构建了该体系结构的关键组成部分，包括一个便携式、高可见度的纠缠光子对源，适用于具有白天功能专用滤波的大都市应用。物理学家们在1.7公里的现实场景中进行了量子密钥分发实验，并使用量子安全技术展示了在夜间和光天化日下实现创纪录的每秒千字节速率的能力。
一个entanglement-based量子网络
研究人员开发了一种网络架构，其中纠缠光子源有助于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来检测量子状态的解剖结构，并且该团队通过引入几个通过中央可信模式相互连接的纠缠服务器来扩展网络大小，从而将纠缠分发给用户。物理学家期望纠缠服务器作为一个方便的接口，将城域自由空间网络连接到更大的城际网络的光纤骨干。
Alice和Bob之间的自由空间量子密钥分配系统
Kržič和团队开发了一个特定于城域应用的量子通信系统，该系统由在不到一天的时间内在新站点实现自由空间量子网络所需的关键建筑单元组成。该平台不需要预先的基础设施，除了电力。该系统类似于网络的Alice-Bob部分，其中纠缠服务器产生一对810 nm偏振纠缠光子:其中一个通过单模光纤发送给Alice，而Bob使用自由空间链路接收另一个。
闭环稳定系统促进了长期功能，其中e Bob和Alice都拥有一个量子接收器子系统。鲍勃的版本有专门设计的光谱和空间滤波模块，可以在白天工作，而爱丽丝的版本不需要专门过滤日光噪声。该团队利用商用无线电天线实现了Alice和Bob的量子接收器子系统之间的经典信道。
系统性能在夜间和白天
量子工程师利用该系统在德国耶拿的一个地点和1.7公里外的公共服务大楼顶部的一个临时集装箱之间建立了量子连接。他们在夜间和白天的两个实验中对系统性能进行了相对于量子误码率和可实现的安全密钥率的基准测试，背景噪声相对较高。科学家们将鲍勃探测到的计数率分为信号和背景噪声贡献，包括气象站测量的太阳辐射。
该团队于2022年3月2日进行了夜间实验，以证明在几个小时内平均安全密钥速率为5.4 Kbps的情况下，量子误码率低于2%的稳定性能。系统性能差异较大;例如，当研究小组将链路直接暴露在阳光下时，检测到的噪声率达到了每秒400千光子(kcps)以上的值。在接下来的几个小时里，当小云层穿过太阳时，背景噪音降低以恢复平台的性能，因此，它在阳光的直接影响下发生了变化。
该团队模拟了一个场景，以评估从纠缠服务器到Alice和Bob的两个独立的自由空间链路的性能。在夜间，他们注意到安全密钥速率超过1.1 kbps。当该团队于2021年7月部署该系统时，他们在位于德国波恩的两个相距300米的办公室之间建立了自由空间量子密钥分配链路，以在夜间和白天实现相似的密钥速率。
前景
通过这种方式，Andrej Kržič和团队开发了一种基于纠缠的自由空间量子网络架构，作为城域尺度的可行解决方案。他们在不同条件下实现了高达5.7 kbps的安全速率，以表明其24/7运行的能力，以促进对城市的全面覆盖。
他们进一步探索了高维纠缠，以提高每个光子的信息容量，提高安全性和对噪声的鲁棒性。纠缠分布是量子密钥分发之外的多个应用的核心，包括量子时钟同步和量子加密。
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