上海交通大学电子信息与电气工程学院长聘教授、上海循态量子科技有限公司首席科学家曾贵华教授研究团队发现，在基于连续变量相干态的量子通信网络中，利用网络节点的量子相干态受振动所引起的影响，可以在量子通信网络中有效地观测到振动发生的位置、频率和到达时间，进而提出一种集成分布式传感和量子通信的通感一体化网络，该方案可以在标准量子极限下实现多节点之间的安全密钥分发和分布式传感。相关成果以“Integrated sensing and quantum communication network”为题发表在Research上。
Citation: Yuehan Xu, Tao Wang, Peng Huang, Guihua Zeng. Integrated Distributed Sensing and Quantum Communication Networks. Research. 2024;7:0416.DOI:10.34133/research.0416
研究背景
由于通信介质对环境变化很敏感，它不仅可以用于信息传输，还可以用于传感。因此，通感一体化（ISAC）的概念应运而生。ISAC要求在通信过程中同时进行传感，而不是建立一个单独的传感网络。其目标是实现无处不在的通感一体化网络，为城市结构成像、地震波检测、管道安全监控等提供大规模传感。量子密钥分发（QKD）是量子通信网络的核心技术，它提供了由量子力学基本原理保证的安全密钥，供合法方使用。在QKD中使用的量子态对相位、幅度、波长等的变化非常敏感，环境干扰会引起相应的变化。一个集成式传感与量子通信网络（ISAQN）需要区分来自不同节点的QKD信号和传感信号。然而，由于传感信息和密钥信息都处于同一量子网络中，提取密钥信息和解调传感信息都充满挑战。
图1 通感一体化量子网络
研究进展
为实现多点量子密钥分发（QKD）网络中的信号感知，上海交通大学曾贵华教授团队提出了基于连续变量的ISAQN方案（图1）。该方案利用量子信号和导频信号进行传输。量子信号用于连续变量量子密钥分发（CV-QKD），而导频信号用于感知。此外，通过时分复用（TDM）插入的导频信号可以恢复量子信号的相位。对于多个节点，作者使用频分复用（FDM）来传输不同节点的多个QKD信号。当发生振动时，可以确定正在经历振动的节点，并且可以基于频谱相位监测（SPM）协议恢复振动波形。ISAQN的分布式感应精度可以达到标准量子极限。
在集成式传感与量子通信网络中，不同的子节点用不同的载波频率调制量子信号和导频信号（图2）。当调制的相干态和导频信号未经历光纤振动事件时，检测结果保持为正常的多波段信号。当发生振动事件时，由于瑞利后向散射的增强，检测结果的频谱经历频谱下移，导频信号的频谱在其中心线出现频谱分裂。检测结果使用频谱相位监测（SPM）协议进行处理。通过采用相干解调、反正切函数和相位解缠绕，可以完成相位恢复，从而获得振动波形。为了证明方案的可行性，通过模拟星型网络结构中的振动进行了实验， ISAQN已在理论和实验两方面被进行了验证，实验结果（图3）展示了该网络能够同时区分来自不同子节点的量子信号和传感信号。
图2 通感一体化量子网络在时域和频域上的原理图
未来展望
本工作所提出的通感一体化量子网络，显著增强了量子网络的应用灵活性和信息处理能力，成功实现了在多点网络中同时进行量子通信与分布式感知的功能。这一成果对于未来构建大规模量子通信网络和高精度传感网络具有意义，标志着向多功能量子网络和实用化量子互联网的发展迈出了重要一步。
图3 多节点量子密钥分发与振动传感实验结果
作者简介
曾贵华，德国洪堡学者，上海交通大学教授，合肥国家实验室高级研究员，上海量子科学中心通信部部长，合肥国家实验室“相干态量子通信研究室”负责人，上海交通大学量子感知与信息处理研究所所长。中国密码学会量子密码专业委员会副主任委员，中国光学工程学会光通信与信息网络专业委员会副主任委员，中国物理学会量子光学专业委员会委员，中国电子学会量子信息分会委员。研究方向：量子通信、量子传感、量子智能。已在Nature Communication、Science Advance、Physical Review Letters等国际重要学术期刊上发表高水平论文300余篇、出版中英文专著2部、译著1部、申请国际发明专利2项、国家发明专利150余项，研制原型机20余台（套），其中量子视频电话加密系统获得了第十八届国际高新技术成果交易会优秀产品奖。
王涛，博士，上海交通大学副教授，博士生导师，感知科学与工程学院副院长。已在国际重要学术期刊上发表高水平论文50余篇、授权国家发明专利10余项。主要研究方向为连续变量量子密钥分发、量子网络、量子通信芯片等。
往期回顾
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02-2024
13
08-2024
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