《Nature》最新，无需低温冷却，首次利用254公里商用电信网络实现量

文 | 光子盒GZH

量子通信领域的最新进展凸显了光相干性在量子网络发展中的关键作用。这一资源作为量子互联网相位架构的核心，不仅促成了多节点量子网络的首次成功演示，还显著拓展了量子密钥分发（QKD）的通信距离。然而，基于相干性的量子协议依赖超稳定光腔和低温光子探测器等专用硬件，使其可扩展性仍存在不确定性。

4月23日，东芝欧洲公司、波兰波兹南超级计算和网络中心、英国安格利亚鲁斯金大学、荷兰GIANT Vereniging组成的研究团队在《Nature》发表题为“Long-distance coherent quantum communications in deployed telecom networks”（已部署电信网络中的长距离相干量子通信）的研究论文，Mirko Pittaluga 为论文第一作者兼通讯作者。这是已知首例利用现有商用电信基础设施实现相干量子通信的报道。

研究团队在德国法兰克福与Kehl之间的254公里商用电信网络上实现了基于相干性的双场量子密钥分发（TF-QKD）协议，成功以110 bit/s的速率进行加密密钥分发。研究通过可扩展的光相干分发方法、实用化系统架构以及离带相位稳定辅助的非低温单光子检测技术，实现了这一成果。实验表明，该系统在实际网络环境中实现了类中继量子通信，在无需低温冷却的情况下将实用QKD的通信距离提升至此前的两倍。该网络也是具备测量设备无关特性的最大规模QKD网络之一。本研究将基于相干性的量子通信需求与现有电信基础设施的能力相结合，这对于高性能量子网络的未来发展具有重要意义，包括先进量子通信协议、量子中继器、量子传感网络和分布式量子计算的实现。

光相干性——量子网络的核心资源

量子网络可传输理论上无法被窃听的加密信息，其核心原理在于：对量子系统的测量会干扰信号的整体特性，从而暴露窃听行为。无论量子或经典，密钥加密都依赖于发送方和接收方共享的密钥进行信息加解密。通过量子密钥分发（QKD），发送方和接收方能够在不安全信道上共享随机密钥，任何试图截获密钥的窃听者都会在光子观测中引发异常，从而被检测到。据光子盒研究院《2025全球量子安全产业发展展望》预测，到2035年全球量子密钥分发市场规模将增长至55.58亿美元。

其中，光相干性是构建量子网络的核心资源。基于相位的量子互联网架构依赖光相干性实现多节点纠缠和量子密钥分发（QKD），例如双场QKD（TF-QKD）协议可突破无中继密钥容量限制，将通信距离扩展至数百公里。然而，传统相干协议依赖超稳定光腔和低温超导纳米线单光子探测器（SNSPD），这些专用硬件难以融入商用电信环境，限制了规模化应用。

随着量子网络向实用化迈进，开发与现有电信基础设施兼容的相干通信技术至关重要。本文聚焦如何在无需专用低温设备的前提下，通过可扩展架构和非低温探测器（如雪崩光电二极管APD），在真实商用网络中实现长距离相干量子通信，为突破技术瓶颈提供了新路径。

构建兼容商用网络的相干量子通信系统

• 系统架构与核心技术

实验构建了三节点星型网络，包括两个发送端（Alice/Bob）和一个中继接收端（Charlie），通过254公里光纤连接法兰克福与Kehl，模拟真实电信环境。系统分为三层架构：

图1：已部署的相干量子通信系统。

服务层：中央节点Charlie通过服务光纤向发送端分发双光频参考信号，实现激光频率锁定，消除相位噪声。该设计避免了传统超稳定激光器的复杂性，通过商用光纤和波分复用（DWDM）技术实现低成本相位参考分发。

管理层：通过现场可编程门阵列（FPGA）和服务器实现节点间同步与设备控制，确保纳秒级时间同步精度，支撑高速量子信号处理。

量子层：执行TF-QKD协议，发送端利用光注入锁定（OIL）技术将本地激光器锁定至参考频率，生成弱相干脉冲（WCP）；接收端通过APD探测器实现非低温单光子检测，结合离带相位稳定技术抑制光纤相位噪声。

• 相位稳定与噪声抑制

粗相位稳定方面，通过离带信号λ_s的干涉反馈，利用铌酸锂相位调制器实时补偿光纤相位漂移，将相位噪声标准差从8256 rad/s降至2.2 rad/s。

精相位稳定方面，在Bob端引入光纤拉伸器，针对协议信号λ_0进行细调，进一步将相位噪声降至0.47 rad/s，确保双路信号相位差稳定在0.1 rad以内。

极化稳定方面，通过自动极化控制机制，维持正交极化分量强度对比度达21 dB，抵消地下光纤的温度漂移影响，提升信号传输稳定性。

图2：光信号的路由。

• 协议实现与安全机制

采用“发送-不发送”型TF-QKD协议，结合四强度诱骗态方法（s, n, u, v）和主动奇奇偶校验后处理技术，提升密钥生成速率并抑制光子数分裂攻击。通过高斯近似和有限密钥效应分析，确保在不对称链路条件下的安全密钥提取，理论模型匹配实验数据，验证了协议在真实噪声环境中的可行性。

实验方案

研究使用GÉANT网络的253.9公里商用单模光纤，含56 dB损耗，中间在Kirchfeld设置中继节点，形成不对称链路（Alice-Charlie: 156.7 km，Bob-Charlie: 97.2 km）。探测器采用-30°C热电冷却APD替代低温SNSPD，尽管暗计数率较高（约10^3 counts/s），但成本降低1-2个数量级，且兼容标准电信机架，为规模化部署奠定基础。信号调制上，发送端通过强度和相位调制器生成120 ps脉宽、1 GHz重复率的弱相干脉冲，编码四强度信号（s, n, u, v），接收端利用时间标记器记录单光子事件时间，精度达纳秒级。

Charlie的主激光器（L_s, L_0）生成1551.72 nm和1550.12 nm信号，经服务光纤传输后，发送端通过OIL技术锁定本地激光器，实现跨节点相位同步，链路光程差通过120 km延迟光纤补偿，确保相干长度匹配。在实验室和现场环境中对比极化漂移，发现地下光纤的自然温度稳定性优于实验室可控环境，12小时内正交极化强度漂移小于4%，验证了商用光纤的实用性。通过公共信道公布干涉结果，执行参数估计和密钥筛选，利用主动奇奇偶校验降低误码率，最终在7.5小时连续运行中实现110.1 bits/s的密钥速率，量子比特误码率控制在4.61%-5.84%。

图3：偏振漂移和稳定。

图4：通道的相位稳定。

图5：密钥率。

自由漂移信号的干涉可见度达99.09%，粗稳定后降至97.15%，表明系统在复杂环境中仍保持高相干性。实验结果超过基于相同探测器效率的无中继密钥容量上限（noisy SKC0），接近单中继理论极限（SKC1），证明相干协议在长距离中的优势。

迈向实用化量子网络的关键一步

· 无需低温冷却器的可扩展量子网络

科学家曾普遍认为，实现量子网络需要昂贵设备，如低温冷却器。如今，这项新研究表明，“量子网络在近期可能变得更具可扩展性和实用性”，论文一作Pittaluga表示。

研究首次在商用网络中实现254公里TF-QKD，无需低温设备，密钥速率达110 bits/s，为同类技术的2倍以上，且成本降低两个数量级。此外，兼容性方面，系统硬件（APD、商用光纤、标准机架）与现有电信基础设施无缝集成，极化稳定性和相位控制技术适用于地下、架空等多种部署场景。

性能指标上，研究通过双级稳定机制将相位漂移控制在0.47 rad/s，为协议执行提供了低噪声环境。基于测量设备无关特性，抵御探测器侧信道攻击，密钥生成速率满足AES-256密钥每秒刷新需求，适用于金融、政务等高频加密场景。

星型架构支持节点无缝扩展，为构建城市级量子密钥分发网络提供了模板。通过调整光频分发和相位稳定参数，可兼容卫星链路、海底光缆等长距离传输场景，为未来全球量子通信网络奠定基础。

· 非低温检测技术的突破

为克服光纤信号损耗，高性能量子密钥分发系统常使用高灵敏度的超导纳米线单光子探测器。新系统采用基于半导体的雪崩光电二极管（APD）进行单光子检测，成本比超导探测器低1-2个数量级，且无需昂贵的低温设备。

然而，APD的光子检测效率约为超导探测器的1/4至1/6，且误检率高出数百倍。为解决这一问题，新系统在传输量子数据光束的同时发送参考激光脉冲，并在接收端使用两组雪崩光电二极管：一组执行量子通信协议，另一组分析参考光束。研究发现，这种设计可校正由温度、振动和光纤扰动引起的噪声。

理论方面，研究验证了光相干性在非理想环境中的可扩展性，证明商用硬件可替代专用低温设备，推动量子通信从实验室走向工程化。所提出的离带相位稳定和多强度诱骗态方法，为后续量子中继、分布式量子计算提供了关键技术参考。

本文通过在真实商用网络中验证长距离相干量子通信，证明现有电信基础设施可支撑高性能量子密钥分发，标志着量子通信从依赖专用硬件向兼容商用基础设施的关键转变，为未来规模化部署安全高效的量子网络奠定了基础。

迈向千兆赫兹速率

科学家面临的另一挑战是将所有组件集成到长期稳定运行的系统中。“在实验室调试经历了无数个不眠之夜，”Pittaluga说，“但紧密的团队合作和对简洁性的追求帮助我们挺了过来。”

总体而言，新系统将无低温冷却的实用量子密钥分发距离提升至此前研究的两倍，尽管其密钥传输速率仅为110 bit/s。“将密钥分发速率提升至110 bit/s以上是下一步，工程和研究层面均有途径实现，”Pittaluga表示，“例如，一个直接的改进是提高协议的编码速率。目前我们运行在500兆赫兹，利用现有技术提升至几千兆赫兹触手可及，仅此一项即可使密钥速率提高约10倍。”

从长远来看，量子中继器是一个有前景的方向，研究界正在积极探索。“它们将显著扩展安全量子链路的距离和性能，”他指出。不过，Pittaluga强调：“需要注意的是，每秒数百比特的密钥生成速率未必是限制，具体取决于应用场景。在许多实际场景中，例如使用量子密钥定期刷新经典对称加密系统，这一速率其实已足够。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-025-08801-w

[2]https://spectrum.ieee.org/quantum-key-distribution-commercial-fiber