量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)探索與技術(shù)突破一、引言1.1研究背景與意義在信息技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，信息安全已成為現(xiàn)代社會(huì)的關(guān)鍵議題。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。無論是個(gè)人隱私信息、商業(yè)機(jī)密，還是國(guó)家安全相關(guān)的數(shù)據(jù)，都需要可靠的通信安全保障。傳統(tǒng)的加密技術(shù)主要依賴于數(shù)學(xué)難題，如大整數(shù)分解、離散對(duì)數(shù)等問題的計(jì)算復(fù)雜性來保證安全性。然而，隨著計(jì)算能力的不斷提升，特別是量子計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，這些傳統(tǒng)加密方式面臨著被破解的風(fēng)險(xiǎn)。量子計(jì)算具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，理論上能夠在短時(shí)間內(nèi)解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以處理的復(fù)雜數(shù)學(xué)問題，這使得基于傳統(tǒng)數(shù)學(xué)難題的加密算法的安全性受到嚴(yán)重威脅。量子密鑰分發(fā)（QuantumKeyDistribution，QKD）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它基于量子力學(xué)的基本原理，如量子態(tài)的不可克隆性、不確定性原理等，為信息安全提供了一種全新的解決方案。與傳統(tǒng)加密技術(shù)不同，量子密鑰分發(fā)的安全性不依賴于數(shù)學(xué)難題的計(jì)算復(fù)雜性，而是基于量子物理的基本定律。在量子密鑰分發(fā)過程中，通信雙方通過量子信道交換量子態(tài)信息，利用量子態(tài)的特性生成共享密鑰。由于量子態(tài)的測(cè)量會(huì)引起量子態(tài)的改變，任何竊聽行為都將不可避免地被通信雙方察覺，從而保證了密鑰分發(fā)的安全性。這種無條件安全性使得量子密鑰分發(fā)成為未來信息安全領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。經(jīng)典光通信作為目前廣泛應(yīng)用的通信技術(shù)，具有高速率、大容量的傳輸優(yōu)勢(shì)。它利用光信號(hào)在光纖中傳輸信息，通過調(diào)制光的強(qiáng)度、頻率、相位等參數(shù)來攜帶數(shù)據(jù)。在長(zhǎng)距離通信中，經(jīng)典光通信技術(shù)已經(jīng)非常成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。然而，經(jīng)典光通信在安全性方面存在一定的局限性，其數(shù)據(jù)傳輸容易受到竊聽和篡改的威脅。將量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸?shù)难芯烤哂兄匾睦碚摵蛯?shí)踐意義。從理論層面來看，這一研究涉及量子力學(xué)、光學(xué)、通信原理等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，對(duì)于深入理解量子與經(jīng)典信息的相互作用、探索新的通信理論和技術(shù)具有重要的推動(dòng)作用。通過研究量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸?shù)目尚行院托阅軆?yōu)化，能夠豐富和拓展通信技術(shù)的理論體系，為未來通信技術(shù)的發(fā)展提供新的思路和方法。在實(shí)踐應(yīng)用方面，實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)。一方面，它可以充分利用現(xiàn)有的光纖基礎(chǔ)設(shè)施，降低通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。在當(dāng)前的通信網(wǎng)絡(luò)中，光纖已經(jīng)廣泛鋪設(shè)，若量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)需要單獨(dú)鋪設(shè)光纖，不僅成本高昂，而且實(shí)施難度較大。通過共纖傳輸技術(shù)，能夠在不改變現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信的融合，大大提高了光纖資源的利用率。另一方面，這種融合技術(shù)有助于推動(dòng)量子通信的商業(yè)化應(yīng)用。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，金融、政務(wù)、醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)π畔踩囊笤絹碓礁撸孔用荑€分發(fā)技術(shù)的應(yīng)用能夠?yàn)檫@些領(lǐng)域提供更高級(jí)別的安全保障。而與經(jīng)典光通信共纖傳輸，使得量子通信系統(tǒng)能夠更好地融入現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)，降低了應(yīng)用門檻，加速了量子通信技術(shù)在實(shí)際場(chǎng)景中的推廣和應(yīng)用。此外，量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸還具有重要的戰(zhàn)略意義，能夠提升國(guó)家在信息安全領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力，保障國(guó)家關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施的安全。1.2研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)近年來，量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸?shù)难芯咳〉昧孙@著進(jìn)展。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面，波分復(fù)用（WDM）技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)共纖傳輸?shù)闹饕侄巍Ｗ?997年Townsend首次用波分復(fù)用技術(shù)將QKD信號(hào)添加到現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)中，該技術(shù)路線不斷發(fā)展完善。通過將量子信號(hào)與經(jīng)典光信號(hào)調(diào)制到不同的波長(zhǎng)上，利用合波器將它們耦合到同一根光纖中傳輸，在接收端再通過解復(fù)用器將不同波長(zhǎng)的信號(hào)分離，從而實(shí)現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信在同一光纖中的傳輸。在實(shí)驗(yàn)研究方面，眾多科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量探索。一些實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離的量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸，驗(yàn)證了該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。例如，中國(guó)電信研究院聯(lián)合北京郵電大學(xué)首創(chuàng)提出經(jīng)典通信與雙場(chǎng)QKD共纖傳輸架構(gòu)與方案，利用多芯光纖的不同纖芯分別傳輸雙向經(jīng)典信號(hào)、量子信號(hào)和伺服信號(hào)，并設(shè)計(jì)空頻雙維資源分配方案，從纖芯和波長(zhǎng)兩個(gè)維度入手，有效降低了約50.8%的量子通信噪聲干擾，實(shí)驗(yàn)與仿真平臺(tái)結(jié)果顯示，該方案最高可將成碼率提升近10倍，為高安全、大容量、遠(yuǎn)距離的QKD網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供了重要參考。盡管取得了上述進(jìn)展，但量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。隔離度問題是其中之一，經(jīng)典光信號(hào)通常功率較強(qiáng)，每個(gè)通信回合用戶接收的光子數(shù)量可達(dá)千萬級(jí)別，而量子信道每回合理論上僅探測(cè)1個(gè)光子的量子態(tài)。要實(shí)現(xiàn)QKD與功率較強(qiáng)的經(jīng)典光信號(hào)通道復(fù)用，就必須使含有千萬個(gè)光子的經(jīng)典光脈沖與單光子脈沖之間有足夠高的隔離度，確保單光子不被經(jīng)典光淹沒掉。這對(duì)波分復(fù)用器件和濾波器件的性能提出了極高要求，需要采用高隔離度的波分復(fù)用器件和窄帶濾波器件來降低線性串?dāng)_，但過窄的濾波器件又可能對(duì)QKD信號(hào)光引入巨大衰減。噪聲干擾也是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。光纖中的非線性效應(yīng)會(huì)對(duì)量子信號(hào)光產(chǎn)生嚴(yán)重影響，如受激拉曼散射（SRS）、四波混頻（FWM）等非線性噪聲。SRS噪聲中，斯托克斯SRS噪聲大于反斯托克斯噪聲，合理分配量子信號(hào)波長(zhǎng)到短波長(zhǎng)處可在一定程度上降低噪聲，但這也會(huì)帶來路徑損耗增加的問題。當(dāng)經(jīng)典信號(hào)通道等間隔時(shí)，量子信號(hào)波長(zhǎng)還需避免四波混頻噪聲，雖然將量子和經(jīng)典光信號(hào)處于偏振正交狀態(tài)可抑制四波混頻噪聲，但此方法僅適用于非偏振編碼的QKD和經(jīng)典通信系統(tǒng)。此外，降低經(jīng)典信號(hào)光強(qiáng)是降低線性串?dāng)_和非線性噪聲最有效的辦法，但在實(shí)際環(huán)境中，又需要考慮經(jīng)典光通信系統(tǒng)的功率預(yù)算，不能過度降低經(jīng)典信號(hào)光強(qiáng)，這使得在抑制噪聲與保證經(jīng)典通信性能之間難以平衡。在實(shí)際應(yīng)用中，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)與經(jīng)典光通信系統(tǒng)的兼容性也是一個(gè)需要解決的問題。量子密鑰分發(fā)通常使用特殊的量子光源和接收器，與經(jīng)典光通信系統(tǒng)的設(shè)備和接口存在差異，如何實(shí)現(xiàn)兩者的無縫對(duì)接和協(xié)同工作，以確保整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性，是未來研究的重要方向。1.3研究目標(biāo)與創(chuàng)新點(diǎn)本實(shí)驗(yàn)研究旨在深入探究量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸?shù)目尚行耘c性能表現(xiàn)，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)以下具體目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離共纖傳輸：通過優(yōu)化波分復(fù)用技術(shù)、合理選擇波長(zhǎng)、設(shè)計(jì)高性能的濾波和隔離器件等方式，實(shí)現(xiàn)至少100公里的量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸，突破當(dāng)前傳輸距離的限制，驗(yàn)證長(zhǎng)距離共纖傳輸在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。提高傳輸性能：在共纖傳輸過程中，有效降低量子信號(hào)與經(jīng)典光信號(hào)之間的干擾，降低量子比特誤碼率（QBER），將其控制在5%以內(nèi)，同時(shí)提高量子密鑰生成速率，達(dá)到10kbps以上，確保經(jīng)典光通信的傳輸速率和質(zhì)量不受明顯影響，實(shí)現(xiàn)兩者在同一光纖中高效、穩(wěn)定的傳輸。優(yōu)化系統(tǒng)兼容性：針對(duì)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)與經(jīng)典光通信系統(tǒng)設(shè)備和接口存在差異的問題，通過設(shè)計(jì)專用的接口轉(zhuǎn)換裝置和信號(hào)適配電路，實(shí)現(xiàn)兩者的無縫對(duì)接和協(xié)同工作，確保整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性，使共纖傳輸系統(tǒng)能夠適應(yīng)現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，便于大規(guī)模推廣應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本研究將采用一系列創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)手段：創(chuàng)新的波長(zhǎng)分配策略：在分析不同經(jīng)典通信系統(tǒng)特點(diǎn)和光纖傳輸特性的基礎(chǔ)上，綜合考慮線性串?dāng)_、非線性噪聲以及路徑損耗等因素，提出一種全新的量子信號(hào)波長(zhǎng)分配策略。例如，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)不同波長(zhǎng)組合下的傳輸性能進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，找到最優(yōu)的量子信號(hào)波長(zhǎng)，在降低噪聲的同時(shí)，盡量減少對(duì)路徑損耗的影響，提高傳輸?shù)恼w性能。新型濾波與隔離技術(shù)：研發(fā)基于超材料的高隔離度波分復(fù)用器件和具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能的窄帶濾波器件。超材料波分復(fù)用器件能夠利用其獨(dú)特的電磁特性，實(shí)現(xiàn)更高的隔離度，有效減少經(jīng)典光信號(hào)對(duì)量子信號(hào)的干擾；自適應(yīng)窄帶濾波器件可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的信號(hào)特征，自動(dòng)調(diào)整濾波帶寬和中心頻率，在降低噪聲的同時(shí)，避免對(duì)量子信號(hào)光引入過大衰減，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。多維度干擾抑制方法：除了傳統(tǒng)的時(shí)域和頻域?yàn)V波方法外，引入偏振維度的干擾抑制技術(shù)。通過設(shè)計(jì)特殊的偏振控制器和偏振分束器，使量子信號(hào)和經(jīng)典光信號(hào)在偏振方向上相互正交，進(jìn)一步抑制四波混頻等非線性噪聲的產(chǎn)生。同時(shí)，結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理算法，對(duì)接收端的信號(hào)進(jìn)行后處理，去除殘留的干擾信號(hào)，提高信號(hào)的質(zhì)量和可靠性。二、理論基礎(chǔ)2.1量子密鑰分發(fā)原理2.1.1主要協(xié)議介紹量子密鑰分發(fā)作為量子通信的關(guān)鍵技術(shù)，其核心在于通過量子態(tài)的傳輸和測(cè)量來實(shí)現(xiàn)安全的密鑰分發(fā)。目前，量子密鑰分發(fā)已經(jīng)發(fā)展出多種成熟的協(xié)議，其中BB84協(xié)議和E91協(xié)議尤為經(jīng)典。BB84協(xié)議由美國(guó)物理學(xué)家查爾斯?本內(nèi)特（CharlesBennet）和加拿大密碼學(xué)家吉列斯?布拉薩德（GillesBrassard）于1984年提出，是首個(gè)量子密鑰分發(fā)方案。該協(xié)議利用光子的偏振態(tài)來傳遞信息，光子的偏振具有兩個(gè)相互線性獨(dú)立的自由度，即偏振態(tài)相互垂直。發(fā)送方和接收方選取橫豎基（+）和對(duì)角基（x）作為測(cè)量光子偏振的基矢。在橫豎基中，↑和→分別代表不同的編碼；在對(duì)角基中，↗和↘代表不同編碼。發(fā)送方隨機(jī)選擇基矢，生成一系列光子并發(fā)送給接收方。接收方同樣隨機(jī)選擇基矢對(duì)接收的光子進(jìn)行測(cè)量。隨后，雙方通過公開信道（如電子郵件或電話）交流各自使用的基矢序列，保留基矢選擇相同情況下的測(cè)量結(jié)果作為密鑰。由于量子態(tài)的不可克隆性和測(cè)量坍縮特性，竊聽者若在中途測(cè)量光子，必然會(huì)改變光子的量子態(tài)，導(dǎo)致接收方測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而使竊聽行為被察覺。例如，若竊聽者在接收端前插入錯(cuò)誤的偏振濾色片，光子偏振狀態(tài)改變，接收方得到的測(cè)量結(jié)果與發(fā)送方預(yù)期不一致，通過奇偶校驗(yàn)核對(duì)就能發(fā)現(xiàn)竊聽行為。E91協(xié)議由ArturEkert于1991年提出，其核心思想是利用量子糾纏的特性來確保安全密鑰的分發(fā)。首先，由一個(gè)可信的中心（或設(shè)備）生成一對(duì)糾纏光子，處于貝爾態(tài)的兩個(gè)光子無論相隔多遠(yuǎn)，其狀態(tài)始終相關(guān)，典型的糾纏態(tài)形式為：|\psi\rangle=\frac{1}{\sqrt{2}}(|00\rangle+|11\rangle)。生成的糾纏對(duì)中的一個(gè)光子被發(fā)送給Alice，另一個(gè)光子被發(fā)送給Bob。Alice和Bob各自對(duì)接收到的光子進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量設(shè)備可選擇不同的基，如0^{\circ}、45^{\circ}和90^{\circ}，且測(cè)量基的選擇是隨機(jī)的。測(cè)量完成后，Alice和Bob公開彼此所選擇的測(cè)量基，但不公開測(cè)量結(jié)果。若他們的基相同，則保留測(cè)量結(jié)果作為密鑰的一部分；否則，丟棄這一對(duì)測(cè)量結(jié)果。重復(fù)此過程，直至生成足夠多的密鑰位。E91協(xié)議的安全性依賴于量子糾纏的特性，一方面，通過貝爾不等式的驗(yàn)證，Alice和Bob可以判斷糾纏態(tài)是否真實(shí)存在，同時(shí)檢查是否存在竊聽者；另一方面，根據(jù)量子力學(xué)的不可克隆定理，竊聽者無法復(fù)制糾纏態(tài)光子，也無法在不引入錯(cuò)誤的情況下對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量。這兩種協(xié)議在安全性和應(yīng)用場(chǎng)景上存在一定差異。BB84協(xié)議相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。它主要適用于對(duì)通信效率要求較高、對(duì)設(shè)備復(fù)雜度要求相對(duì)較低的場(chǎng)景，如一些短距離的量子密鑰分發(fā)應(yīng)用，能夠快速生成密鑰滿足通信需求。而E91協(xié)議由于利用了量子糾纏，安全性更高，在對(duì)安全性要求極高的場(chǎng)景中具有優(yōu)勢(shì)，如軍事通信、金融核心數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域，但其實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜，對(duì)設(shè)備和環(huán)境的要求也更高。2.1.2安全性證明量子密鑰分發(fā)的安全性建立在量子力學(xué)的基本原理之上，這些原理從根本上保障了密鑰分發(fā)過程的安全性，使其具備傳統(tǒng)加密技術(shù)難以企及的優(yōu)勢(shì)。量子不可克隆定理是量子密鑰分發(fā)安全性的重要基石。該定理是“海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理”的推論，它表明在量子力學(xué)中，對(duì)任意一個(gè)未知的量子態(tài)進(jìn)行完全相同的復(fù)制是不可實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)閺?fù)制的前提是測(cè)量，而測(cè)量必然會(huì)改變?cè)摿孔拥臓顟B(tài)。在量子密鑰分發(fā)中，若存在竊聽者試圖復(fù)制量子態(tài)以獲取密鑰信息，其測(cè)量行為必然會(huì)破壞量子態(tài)，導(dǎo)致接收方接收到的量子態(tài)與發(fā)送方發(fā)送的不一致，從而被通信雙方察覺。例如，在BB84協(xié)議中，竊聽者若想復(fù)制光子的偏振態(tài)，就必須對(duì)光子進(jìn)行測(cè)量，而一旦測(cè)量，光子的偏振態(tài)就會(huì)發(fā)生改變，接收方后續(xù)的測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)異常，通過對(duì)比基矢和測(cè)量結(jié)果，通信雙方就能發(fā)現(xiàn)竊聽行為。測(cè)量誤差也是保障量子密鑰分發(fā)安全性的關(guān)鍵因素。由于量子態(tài)的不確定性，對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)量結(jié)果是隨機(jī)的，且測(cè)量過程會(huì)對(duì)量子態(tài)產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的影響。當(dāng)竊聽者對(duì)量子信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，不可避免地會(huì)引入測(cè)量誤差，這些誤差會(huì)在后續(xù)的密鑰比對(duì)和驗(yàn)證過程中被發(fā)現(xiàn)。例如，在E91協(xié)議中，竊聽者對(duì)糾纏光子進(jìn)行測(cè)量，會(huì)破壞糾纏態(tài)的相關(guān)性，導(dǎo)致Alice和Bob在對(duì)比測(cè)量結(jié)果時(shí)，發(fā)現(xiàn)貝爾不等式的違背程度超出正常范圍，從而判斷出存在竊聽行為。量子密鑰分發(fā)協(xié)議還可以通過多種方式檢測(cè)竊聽者的存在。在實(shí)際應(yīng)用中，通信雙方會(huì)對(duì)部分已生成的密鑰進(jìn)行校驗(yàn)，通過計(jì)算誤碼率等參數(shù)來判斷是否存在竊聽。若誤碼率超過一定閾值，說明量子信道可能受到了干擾，存在竊聽的可能性，此時(shí)通信雙方會(huì)放棄當(dāng)前生成的密鑰，重新進(jìn)行密鑰分發(fā)。此外，一些量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)還會(huì)采用主動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，如發(fā)送特定的測(cè)試信號(hào)，檢測(cè)量子信道的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的竊聽行為。二、理論基礎(chǔ)2.2經(jīng)典光通信共纖傳輸技術(shù)2.2.1波分復(fù)用技術(shù)波分復(fù)用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸?shù)暮诵募夹g(shù)之一，它在現(xiàn)代光通信領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。波分復(fù)用技術(shù)的基本原理是基于光的波長(zhǎng)特性，將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)看作是不同的“通道”，通過特定的光學(xué)器件，將這些攜帶不同信息的光信號(hào)在發(fā)送端進(jìn)行復(fù)用，使其能夠在同一根光纖中同時(shí)傳輸。在接收端，再通過解復(fù)用器件將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)分離出來，分別進(jìn)行處理和恢復(fù)原始信號(hào)。從物理學(xué)原理的角度來看，光在光纖中傳輸時(shí)，不同波長(zhǎng)的光具有不同的頻率和能量，它們?cè)诠饫w中以不同的模式傳播，但相互之間不會(huì)產(chǎn)生干擾，這就為波分復(fù)用技術(shù)提供了物理基礎(chǔ)。例如，在一個(gè)典型的波分復(fù)用系統(tǒng)中，發(fā)送端的復(fù)用器通常由多個(gè)濾波器組成，這些濾波器對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的透過率或反射率。通過精心設(shè)計(jì)濾波器的參數(shù)，使得不同波長(zhǎng)的光信號(hào)能夠準(zhǔn)確地被耦合到同一根光纖中，且保持各自的特性。在接收端，解復(fù)用器則利用類似的原理，將復(fù)合光信號(hào)中的不同波長(zhǎng)的光信號(hào)分離出來，分別送到相應(yīng)的光探測(cè)器中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，從而恢復(fù)出原始的電信號(hào)。在量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景中，波分復(fù)用技術(shù)展現(xiàn)出了諸多顯著優(yōu)勢(shì)。一方面，它能夠充分利用現(xiàn)有的光纖基礎(chǔ)設(shè)施，無需重新鋪設(shè)大量光纖，大大降低了通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本。在當(dāng)前的通信網(wǎng)絡(luò)中，光纖已經(jīng)廣泛鋪設(shè)，若量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)需要單獨(dú)鋪設(shè)光纖，不僅成本高昂，而且實(shí)施難度較大。通過波分復(fù)用技術(shù)，能夠在不改變現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信的融合，提高了光纖資源的利用率。另一方面，波分復(fù)用技術(shù)還具有良好的兼容性，能夠與現(xiàn)有的經(jīng)典光通信系統(tǒng)無縫對(duì)接。無論是基于強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制還是其他調(diào)制方式的經(jīng)典光通信系統(tǒng)，都可以通過波分復(fù)用技術(shù)與量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)共享光纖資源，實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作，這為量子通信的大規(guī)模應(yīng)用提供了便利條件。根據(jù)波長(zhǎng)間隔的不同，波分復(fù)用技術(shù)又可細(xì)分為粗波分復(fù)用（CoarseWavelengthDivisionMultiplexing，CWDM）和密集波分復(fù)用（DenseWavelengthDivisionMultiplexing，DWDM）。CWDM技術(shù)使用較寬的波長(zhǎng)間隔，通常為20nm或更寬，它的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，對(duì)激光器和溫度控制的要求相對(duì)不高，適合在一些對(duì)成本敏感、傳輸距離較短且容量需求相對(duì)較小的場(chǎng)景中應(yīng)用，如城域網(wǎng)的接入層。而DWDM技術(shù)則使用更窄的波長(zhǎng)間隔，通常小于1nm，能夠在同一根光纖上傳輸更多的信號(hào)，提供極高的帶寬和傳輸容量，但其技術(shù)要求和成本也更高，常用于長(zhǎng)距離骨干網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心互聯(lián)等高容量需求的場(chǎng)景。在量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸中，可根據(jù)具體的應(yīng)用需求和系統(tǒng)性能要求，選擇合適的波分復(fù)用技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的傳輸效果。2.2.2其他復(fù)用技術(shù)除了波分復(fù)用技術(shù)外，在經(jīng)典光通信共纖傳輸中，還有頻分復(fù)用、偏振復(fù)用等技術(shù)，它們各自具有獨(dú)特的原理和應(yīng)用特點(diǎn)，在不同的場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用。頻分復(fù)用（FrequencyDivisionMultiplexing，F(xiàn)DM）技術(shù)是將傳輸頻帶劃分成若干個(gè)較窄的子頻帶，每個(gè)子頻帶對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的信號(hào)通道。在發(fā)送端，不同的信號(hào)被調(diào)制到不同的子頻帶上，然后將這些調(diào)制后的信號(hào)復(fù)合在一起，通過同一傳輸介質(zhì)進(jìn)行傳輸。在接收端，使用濾波器將不同子頻帶的信號(hào)分離出來，再經(jīng)過解調(diào)恢復(fù)出原始信號(hào)。頻分復(fù)用技術(shù)的原理類似于在一條寬闊的馬路上劃分出多個(gè)車道，每個(gè)車道只允許特定頻率范圍的車輛行駛，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)信號(hào)的同時(shí)傳輸。例如，在傳統(tǒng)的模擬通信系統(tǒng)中，頻分復(fù)用技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電話通信，將多個(gè)語音信號(hào)分別調(diào)制到不同的頻率段上，在同一對(duì)電纜中傳輸。在光通信領(lǐng)域，雖然波分復(fù)用技術(shù)更為常用，但在一些特定的光通信場(chǎng)景中，頻分復(fù)用技術(shù)也有應(yīng)用，如在某些光載無線通信系統(tǒng)中，通過將不同頻率的光信號(hào)調(diào)制到射頻信號(hào)上，實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的光傳輸。偏振復(fù)用（PolarizationDivisionMultiplexing，PDM）技術(shù)則是利用光的偏振特性來實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的傳輸。光作為一種橫波，具有兩個(gè)相互垂直的偏振方向，即水平偏振和垂直偏振。偏振復(fù)用技術(shù)通過將不同的信號(hào)分別調(diào)制到這兩個(gè)相互垂直的偏振態(tài)上，然后在同一根光纖中傳輸。在接收端，利用偏振分束器將兩個(gè)偏振態(tài)的信號(hào)分離出來，再分別進(jìn)行處理和解調(diào)。偏振復(fù)用技術(shù)的原理類似于將兩個(gè)不同的信息分別寫在兩張透明的紙上，一張紙的信息只能在水平方向上被讀取，另一張紙的信息只能在垂直方向上被讀取，通過將這兩張紙疊放在一起傳輸，實(shí)現(xiàn)了信息的復(fù)用。在現(xiàn)代高速光通信系統(tǒng)中，偏振復(fù)用技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，它能夠在不增加光纖數(shù)量和帶寬的情況下，將傳輸容量提高一倍，有效緩解了通信帶寬的壓力。與波分復(fù)用技術(shù)相比，頻分復(fù)用技術(shù)和偏振復(fù)用技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。頻分復(fù)用技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)相對(duì)成熟，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，在一些對(duì)帶寬要求不高、傳輸距離較短的場(chǎng)景中具有成本優(yōu)勢(shì)。然而，它的缺點(diǎn)也較為明顯，由于不同子頻帶之間需要保留一定的保護(hù)帶寬，以防止信號(hào)干擾，這導(dǎo)致了頻帶利用率相對(duì)較低，且隨著復(fù)用信號(hào)數(shù)量的增加，濾波器的設(shè)計(jì)和制作難度增大，成本也會(huì)相應(yīng)提高。偏振復(fù)用技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠充分利用光的偏振特性，在不增加波長(zhǎng)資源的情況下提高傳輸容量，且對(duì)光纖的色散和非線性效應(yīng)有一定的抑制作用。但其局限性在于對(duì)傳輸介質(zhì)的偏振特性要求較高，光纖的偏振模色散會(huì)導(dǎo)致偏振態(tài)的變化，從而影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量，需要采用復(fù)雜的偏振控制和補(bǔ)償技術(shù)來保證信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。在實(shí)際的量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸中，這些復(fù)用技術(shù)并非孤立應(yīng)用，而是常常相互結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。例如，在一些復(fù)雜的光通信系統(tǒng)中，可能會(huì)同時(shí)采用波分復(fù)用和偏振復(fù)用技術(shù)，先通過波分復(fù)用將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)復(fù)用在同一根光纖中，然后在每個(gè)波長(zhǎng)上再采用偏振復(fù)用技術(shù)，進(jìn)一步提高傳輸容量。這種多復(fù)用技術(shù)的組合應(yīng)用，能夠更好地滿足不同場(chǎng)景下對(duì)通信容量、傳輸距離和成本等方面的要求，為量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸提供了更靈活、高效的解決方案。2.3共纖傳輸面臨的技術(shù)難題2.3.1隔離度問題在量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸中，隔離度問題是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。經(jīng)典光信號(hào)通常功率較強(qiáng)，在傳統(tǒng)的光纖通信中，每個(gè)通信回合用戶接收的光子數(shù)量可達(dá)千萬級(jí)別，而量子信道每回合理論上僅探測(cè)1個(gè)光子的量子態(tài)。這種巨大的光子數(shù)量差異，使得實(shí)現(xiàn)經(jīng)典光脈沖與單光子脈沖之間的高隔離度成為共纖傳輸?shù)囊淮筇魬?zhàn)。要實(shí)現(xiàn)QKD與功率較強(qiáng)的經(jīng)典光信號(hào)通道復(fù)用，就必須使含有千萬個(gè)光子的經(jīng)典光脈沖與單光子脈沖之間有足夠高的隔離度，確保單光子不被經(jīng)典光淹沒掉。這對(duì)波分復(fù)用器件和濾波器件的性能提出了極高要求。波分復(fù)用器件作為實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)信號(hào)復(fù)用和解復(fù)用的關(guān)鍵部件，其隔離度直接影響到量子信號(hào)與經(jīng)典光信號(hào)之間的串?dāng)_程度。若波分復(fù)用器件的隔離度不足，經(jīng)典光信號(hào)中的光子就可能串?dāng)_到量子信號(hào)通道中，導(dǎo)致量子信號(hào)被干擾，從而影響量子密鑰分發(fā)的安全性和準(zhǔn)確性。例如，在一些早期的共纖傳輸實(shí)驗(yàn)中，由于波分復(fù)用器件的隔離度有限，經(jīng)典光信號(hào)的泄漏使得量子比特誤碼率顯著增加，嚴(yán)重降低了量子密鑰分發(fā)的效率和可靠性。濾波器件同樣至關(guān)重要，它需要能夠精確地篩選出量子信號(hào)，同時(shí)有效地阻擋經(jīng)典光信號(hào)。窄帶濾波器件在降低線性串?dāng)_方面具有重要作用，通過設(shè)計(jì)合適的濾波帶寬和中心頻率，能夠減少經(jīng)典光信號(hào)對(duì)量子信號(hào)的干擾。然而，過窄的濾波器件又可能對(duì)QKD信號(hào)光引入巨大衰減。這是因?yàn)榱孔有盘?hào)光的波長(zhǎng)范圍相對(duì)較窄，當(dāng)濾波器件的帶寬過窄時(shí)，量子信號(hào)光在通過濾波器時(shí)會(huì)有較多的能量損失，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度減弱，接收端難以準(zhǔn)確地檢測(cè)到量子信號(hào)。例如，在某些實(shí)驗(yàn)中，為了追求更高的隔離度，采用了極窄帶寬的濾波器件，雖然有效降低了經(jīng)典光信號(hào)的串?dāng)_，但量子信號(hào)的衰減也非常嚴(yán)重，使得量子密鑰生成速率大幅下降，甚至無法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。為了解決隔離度問題，目前的研究主要集中在改進(jìn)波分復(fù)用器件和濾波器件的設(shè)計(jì)與制造工藝上。一方面，通過采用新型的材料和結(jié)構(gòu)，如光子晶體、超材料等，來提高波分復(fù)用器件的隔離度。光子晶體具有獨(dú)特的光子帶隙特性，能夠?qū)μ囟úㄩL(zhǎng)的光進(jìn)行有效的控制和引導(dǎo)，利用光子晶體制作的波分復(fù)用器件可以實(shí)現(xiàn)更高的隔離度和更窄的波長(zhǎng)間隔。另一方面，研發(fā)具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能的濾波器件也是一個(gè)重要方向。這種濾波器件可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的信號(hào)特征，自動(dòng)調(diào)整濾波帶寬和中心頻率，在保證降低噪聲的同時(shí)，避免對(duì)量子信號(hào)光引入過大衰減，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。2.3.2噪聲干擾噪聲干擾是量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸中面臨的另一重大技術(shù)難題，其中光纖非線性噪聲對(duì)量子信號(hào)傳輸?shù)挠绊懹葹轱@著。光纖中的非線性效應(yīng)是由光與光纖介質(zhì)之間的相互作用引起的，當(dāng)光功率超過一定閾值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生各種非線性現(xiàn)象。受激拉曼散射（SRS）是一種常見的非線性效應(yīng)，它是由于光信號(hào)與光纖中的分子振動(dòng)相互作用，導(dǎo)致一部分光能量轉(zhuǎn)移到低頻的斯托克斯波上，從而產(chǎn)生斯托克斯SRS噪聲。在量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸中，經(jīng)典光信號(hào)的高功率會(huì)引發(fā)較強(qiáng)的SRS噪聲，這種噪聲會(huì)干擾量子信號(hào)的傳輸，增加量子比特誤碼率。研究表明，斯托克斯SRS噪聲大于反斯托克斯噪聲，因此合理分配量子信號(hào)波長(zhǎng)到短波長(zhǎng)處可在一定程度上降低噪聲。這是因?yàn)樵诙滩ㄩL(zhǎng)區(qū)域，SRS的增益相對(duì)較低，能夠減少噪聲的產(chǎn)生。然而，將量子信號(hào)波長(zhǎng)分配到短波長(zhǎng)處也會(huì)帶來路徑損耗增加的問題，因?yàn)楣饫w對(duì)短波長(zhǎng)光的吸收和散射相對(duì)較大，這會(huì)導(dǎo)致量子信號(hào)在傳輸過程中的能量損失增加，影響信號(hào)的傳輸距離和質(zhì)量。四波混頻（FWM）也是一種不容忽視的非線性噪聲。當(dāng)經(jīng)典信號(hào)通道等間隔時(shí)，量子信號(hào)波長(zhǎng)若處于特定位置，就容易引發(fā)四波混頻噪聲。四波混頻是指四個(gè)光波在光纖中相互作用，產(chǎn)生新的光波，這些新產(chǎn)生的光波會(huì)與量子信號(hào)相互干擾，破壞量子信號(hào)的完整性。雖然將量子和經(jīng)典光信號(hào)處于偏振正交狀態(tài)可抑制四波混頻噪聲，但此方法僅適用于非偏振編碼的QKD和經(jīng)典通信系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)采用偏振編碼方式，這就限制了該方法的應(yīng)用范圍。此外，這種方法在實(shí)際操作中也面臨著諸多挑戰(zhàn)，如如何精確地控制量子信號(hào)和經(jīng)典光信號(hào)的偏振狀態(tài)，以及如何保證在長(zhǎng)距離傳輸過程中偏振正交狀態(tài)的穩(wěn)定性等。降低經(jīng)典信號(hào)光強(qiáng)是降低線性串?dāng)_和非線性噪聲最有效的辦法之一。經(jīng)典信號(hào)光強(qiáng)的降低可以減少非線性效應(yīng)的產(chǎn)生，從而降低噪聲對(duì)量子信號(hào)的干擾。然而，在實(shí)際環(huán)境中，又需要考慮經(jīng)典光通信系統(tǒng)的功率預(yù)算。經(jīng)典光通信系統(tǒng)需要一定的光功率來保證信號(hào)的可靠傳輸，如果過度降低經(jīng)典信號(hào)光強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致經(jīng)典光通信的傳輸質(zhì)量下降，甚至無法正常工作。例如，在長(zhǎng)距離的經(jīng)典光通信中，光信號(hào)在傳輸過程中會(huì)有一定的衰減，需要足夠的發(fā)射功率來保證接收端能夠接收到清晰的信號(hào)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要在抑制噪聲與保證經(jīng)典通信性能之間尋求平衡，這對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提出了很高的要求。通常需要綜合考慮量子信號(hào)和經(jīng)典光信號(hào)的特性、光纖的傳輸特性以及系統(tǒng)的應(yīng)用需求等因素，通過合理的參數(shù)設(shè)置和技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)兩者的兼顧。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法3.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)3.1.1整體架構(gòu)搭建本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸系統(tǒng)，主要由量子密鑰分發(fā)子系統(tǒng)、經(jīng)典光通信子系統(tǒng)、波分復(fù)用與解復(fù)用子系統(tǒng)以及光傳輸鏈路組成，各子系統(tǒng)相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)量子信號(hào)與經(jīng)典光信號(hào)在同一光纖中的高效傳輸。量子密鑰分發(fā)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)生成、傳輸和驗(yàn)證量子密鑰。在發(fā)送端，量子光源產(chǎn)生單光子或糾纏光子對(duì)，通過量子編碼器對(duì)光子的量子態(tài)進(jìn)行編碼，攜帶密鑰信息。編碼后的量子信號(hào)經(jīng)過量子信道傳輸至接收端，接收端的量子解碼器對(duì)量子信號(hào)進(jìn)行解碼，恢復(fù)密鑰信息。同時(shí)，為了確保密鑰的安全性，系統(tǒng)會(huì)對(duì)量子信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過量子糾錯(cuò)和隱私放大等技術(shù)，去除可能存在的噪聲和竊聽干擾。經(jīng)典光通信子系統(tǒng)承擔(dān)著高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。在發(fā)送端，經(jīng)典信號(hào)源產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制到光載波上，常用的調(diào)制方式包括強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制等，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高效傳輸。調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)過功率放大器放大，增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，確保在長(zhǎng)距離傳輸過程中信號(hào)的穩(wěn)定性。在接收端，光信號(hào)經(jīng)過光探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過解調(diào)器解調(diào)，恢復(fù)原始的電信號(hào)。波分復(fù)用與解復(fù)用子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸?shù)年P(guān)鍵。在發(fā)送端，波分復(fù)用器將量子信號(hào)和經(jīng)典光信號(hào)按照不同的波長(zhǎng)進(jìn)行復(fù)用，使其能夠在同一根光纖中傳輸。波分復(fù)用器的設(shè)計(jì)基于光的波長(zhǎng)特性，通過特殊的光學(xué)結(jié)構(gòu)，將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)精確地耦合到一起。在接收端，解復(fù)用器則將復(fù)用后的光信號(hào)按照波長(zhǎng)分離，分別將量子信號(hào)和經(jīng)典光信號(hào)傳輸?shù)较鄳?yīng)的接收設(shè)備。光傳輸鏈路采用單模光纖，利用其低損耗、高帶寬的特性，實(shí)現(xiàn)量子信號(hào)和經(jīng)典光信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸。單模光纖的纖芯直徑較小，只允許一種模式的光傳播，能夠有效減少信號(hào)的色散和衰減，保證信號(hào)的傳輸質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中，為了補(bǔ)償光纖傳輸過程中的信號(hào)損耗，會(huì)在光傳輸鏈路中適當(dāng)加入光放大器，如摻鉺光纖放大器（EDFA），增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，確保信號(hào)能夠穩(wěn)定傳輸?shù)浇邮斩恕Ｕ麄€(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過精心設(shè)計(jì)的控制與監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行協(xié)同工作。控制模塊負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。監(jiān)測(cè)模塊則實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)量子信號(hào)和經(jīng)典光信號(hào)的傳輸質(zhì)量，包括信號(hào)強(qiáng)度、誤碼率、噪聲水平等參數(shù)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)反饋給控制模塊進(jìn)行調(diào)整，以保證共纖傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。3.1.2關(guān)鍵設(shè)備選型量子光源：選擇基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)的單光子源，其具有高量子效率、窄光譜線寬以及可精確控制的發(fā)射波長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。例如，某型號(hào)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)單光子源，其量子效率可達(dá)80%以上，光譜線寬小于1nm，能夠產(chǎn)生高質(zhì)量的單光子信號(hào)，滿足量子密鑰分發(fā)對(duì)光源的嚴(yán)格要求。這種單光子源通過精確控制量子點(diǎn)的尺寸、形狀和組成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光子特性的精確調(diào)控，確保了量子信號(hào)的穩(wěn)定性和可靠性。單光子探測(cè)器：采用超導(dǎo)納米線探測(cè)器（SNSPD），其具備超高的探測(cè)效率和極低的噪聲水平。在實(shí)際應(yīng)用中，該探測(cè)器的探測(cè)效率可達(dá)到90%以上，暗計(jì)數(shù)率低至10-3Hz，能夠準(zhǔn)確地探測(cè)到微弱的單光子信號(hào)。超導(dǎo)納米線探測(cè)器利用超導(dǎo)納米線的臨界電流突變特性來探測(cè)單個(gè)光子，當(dāng)單光子入射到超導(dǎo)納米線上時(shí)，會(huì)引起超導(dǎo)態(tài)的局部破壞，產(chǎn)生一個(gè)可檢測(cè)的電脈沖信號(hào)，具有出色的計(jì)時(shí)精度和低噪聲特性，非常適合量子密鑰分發(fā)中的單光子探測(cè)任務(wù)。經(jīng)典光源：選用分布式反饋激光器（DFB）作為經(jīng)典光通信的光源，它具有波長(zhǎng)穩(wěn)定性好、輸出功率高的特點(diǎn)。典型的DFB激光器，波長(zhǎng)穩(wěn)定性可達(dá)±0.1nm，輸出功率可達(dá)到10mW以上，能夠?yàn)榻?jīng)典光通信提供穩(wěn)定、高強(qiáng)度的光信號(hào)。該激光器通過在半導(dǎo)體材料中引入周期性的光柵結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光波長(zhǎng)的精確控制，保證了經(jīng)典光信號(hào)在傳輸過程中的穩(wěn)定性和可靠性。波分復(fù)用器：采用基于陣列波導(dǎo)光柵（AWG）技術(shù)的波分復(fù)用器，其具有高隔離度、低插入損耗和精確的波長(zhǎng)選擇特性。在實(shí)驗(yàn)中，該波分復(fù)用器的隔離度可達(dá)到40dB以上，插入損耗小于1dB，能夠有效實(shí)現(xiàn)量子信號(hào)和經(jīng)典光信號(hào)的復(fù)用與解復(fù)用。AWG波分復(fù)用器利用光波在波導(dǎo)中的傳播特性和干涉原理，通過精確設(shè)計(jì)波導(dǎo)的長(zhǎng)度和間距，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同波長(zhǎng)光信號(hào)的高效復(fù)用和解復(fù)用，滿足了量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸對(duì)波分復(fù)用器的嚴(yán)格要求。3.2實(shí)驗(yàn)步驟與流程3.2.1前期準(zhǔn)備工作在開展量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸實(shí)驗(yàn)之前，充分的前期準(zhǔn)備工作是確保實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行的關(guān)鍵。首先，對(duì)光纖資源進(jìn)行全面評(píng)估。詳細(xì)檢測(cè)現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)的可用性和質(zhì)量，包括光纖的損耗、色散、衰減等參數(shù)。通過專業(yè)的光纖測(cè)試設(shè)備，如光時(shí)域反射儀（OTDR），精確測(cè)量光纖的損耗分布，確定光纖中是否存在斷點(diǎn)、彎曲過度等影響信號(hào)傳輸?shù)膯栴}。同時(shí)，考慮光纖損耗、色散等因素對(duì)量子信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽Ａ孔有盘?hào)由于其微弱性，對(duì)光纖損耗更為敏感，較高的損耗可能導(dǎo)致量子信號(hào)衰減過大，無法被有效探測(cè)。而色散會(huì)使量子信號(hào)的脈沖展寬，影響信號(hào)的準(zhǔn)確性和傳輸距離。例如，在某些長(zhǎng)距離光纖傳輸中，色散導(dǎo)致量子信號(hào)的誤碼率顯著增加，因此需要對(duì)光纖的色散特性進(jìn)行精確測(cè)量和補(bǔ)償。設(shè)備安裝調(diào)試是前期準(zhǔn)備工作的重要環(huán)節(jié)。按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，將量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)和經(jīng)典光通信系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行安裝。確保設(shè)備的安裝位置穩(wěn)固，避免因震動(dòng)或位移影響設(shè)備的性能。在安裝過程中，嚴(yán)格遵循設(shè)備的安裝說明書，正確連接各個(gè)部件，確保線路連接無誤。對(duì)于量子光源、單光子探測(cè)器、經(jīng)典光源、波分復(fù)用器等關(guān)鍵設(shè)備，進(jìn)行精細(xì)調(diào)試。以量子光源為例，通過調(diào)節(jié)其驅(qū)動(dòng)電流、溫度等參數(shù)，使其輸出穩(wěn)定的單光子信號(hào)。對(duì)單光子探測(cè)器進(jìn)行校準(zhǔn)，確保其探測(cè)效率和暗計(jì)數(shù)率滿足實(shí)驗(yàn)要求。在調(diào)試波分復(fù)用器時(shí)，精確調(diào)整其波長(zhǎng)選擇和隔離度參數(shù)，保證量子信號(hào)和經(jīng)典光信號(hào)能夠在同一光纖中穩(wěn)定傳輸且相互干擾最小。環(huán)境參數(shù)設(shè)置也不容忽視。實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度、濕度和電磁干擾等因素會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。將實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度控制在25℃±1℃，濕度控制在40%-60%，以保證設(shè)備的正常運(yùn)行和性能穩(wěn)定。為了減少電磁干擾，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備放置在具有良好電磁屏蔽性能的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行接地處理，確保設(shè)備免受外界電磁干擾的影響。同時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的電源進(jìn)行凈化處理，避免電源波動(dòng)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生干擾。3.2.2數(shù)據(jù)傳輸與采集在完成前期準(zhǔn)備工作后，正式進(jìn)行量子密鑰分發(fā)和經(jīng)典光通信數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)。對(duì)于量子密鑰分發(fā)，按照選定的BB84協(xié)議流程進(jìn)行操作。發(fā)送端的量子光源產(chǎn)生單光子序列，通過隨機(jī)數(shù)發(fā)生器選擇偏振基矢對(duì)單光子進(jìn)行偏振編碼，攜帶密鑰信息。編碼后的單光子信號(hào)經(jīng)過量子信道，即與經(jīng)典光信號(hào)共纖傳輸?shù)墓饫w，傳輸至接收端。接收端同樣通過隨機(jī)數(shù)發(fā)生器選擇偏振基矢對(duì)接收的單光子進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量完成后，發(fā)送端和接收端通過公開信道交流各自使用的偏振基矢序列，保留基矢選擇相同情況下的測(cè)量結(jié)果作為初始密鑰。為了確保密鑰的安全性，對(duì)初始密鑰進(jìn)行糾錯(cuò)和隱私放大處理。通過糾錯(cuò)算法，如低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）算法，糾正初始密鑰中的誤碼；利用隱私放大算法，如通用哈希函數(shù)，去除可能存在的竊聽信息，提高密鑰的安全性。經(jīng)典光通信數(shù)據(jù)傳輸則按照常規(guī)的光通信流程進(jìn)行。經(jīng)典光源發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)過調(diào)制器，采用強(qiáng)度調(diào)制或相位調(diào)制等方式，將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)編碼到光信號(hào)上。調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)過功率放大器放大，以補(bǔ)償光纖傳輸過程中的信號(hào)衰減，確保信號(hào)能夠穩(wěn)定傳輸?shù)浇邮斩恕Ｔ诮邮斩耍庑盘?hào)經(jīng)過光探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過解調(diào)器解調(diào)，恢復(fù)原始的數(shù)據(jù)信號(hào)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。對(duì)于量子密鑰分發(fā)，采集的數(shù)據(jù)包括量子比特誤碼率（QBER）、量子密鑰生成速率、單光子探測(cè)器的探測(cè)效率和暗計(jì)數(shù)率等。通過監(jiān)測(cè)量子比特誤碼率，評(píng)估量子信號(hào)在傳輸過程中的干擾程度；量子密鑰生成速率反映了量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的效率；單光子探測(cè)器的探測(cè)效率和暗計(jì)數(shù)率則直接影響量子密鑰分發(fā)的性能。對(duì)于經(jīng)典光通信，采集的數(shù)據(jù)包括光信號(hào)的功率、誤碼率、傳輸速率等。光信號(hào)功率的監(jiān)測(cè)可以判斷光纖傳輸過程中的損耗情況；誤碼率反映了經(jīng)典光通信的傳輸質(zhì)量；傳輸速率則體現(xiàn)了經(jīng)典光通信系統(tǒng)的性能。數(shù)據(jù)采集采用專業(yè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和軟件，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。例如，使用高精度的光功率計(jì)測(cè)量光信號(hào)的功率，利用誤碼測(cè)試儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)誤碼率，通過數(shù)據(jù)采集卡和相關(guān)軟件記錄和分析采集到的數(shù)據(jù)。3.3技術(shù)要點(diǎn)與解決方案3.3.1時(shí)域/頻域?yàn)V波技術(shù)在量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸過程中，時(shí)域/頻域?yàn)V波技術(shù)是降低噪聲干擾、保障信號(hào)傳輸質(zhì)量的關(guān)鍵手段。由于經(jīng)典光信號(hào)功率較強(qiáng)，每個(gè)通信回合用戶接收的光子數(shù)量可達(dá)千萬級(jí)別，而量子信道每回合理論上僅探測(cè)1個(gè)光子的量子態(tài)，這種巨大的光子數(shù)量差異使得線性串?dāng)_和非線性噪聲成為影響共纖傳輸?shù)闹匾蛩亍榱擞行Ы档瓦@些噪聲，需要采用高隔離度的波分復(fù)用器件和窄帶濾波器件。高隔離度的波分復(fù)用器件在頻域上發(fā)揮著關(guān)鍵作用。以基于陣列波導(dǎo)光柵（AWG）技術(shù)的波分復(fù)用器為例，其工作原理基于光波在波導(dǎo)中的傳播特性和干涉原理。通過精確設(shè)計(jì)波導(dǎo)的長(zhǎng)度和間距，使得不同波長(zhǎng)的光信號(hào)在復(fù)用和解復(fù)用過程中能夠被精確地分離和組合。在發(fā)送端，將量子信號(hào)和經(jīng)典光信號(hào)按照不同的波長(zhǎng)進(jìn)行復(fù)用，使其能夠在同一根光纖中傳輸；在接收端，通過解復(fù)用器將復(fù)用后的光信號(hào)按照波長(zhǎng)分離，分別將量子信號(hào)和經(jīng)典光信號(hào)傳輸?shù)较鄳?yīng)的接收設(shè)備。這種波分復(fù)用器的隔離度可達(dá)到40dB以上，能夠有效減少經(jīng)典光信號(hào)對(duì)量子信號(hào)的串?dāng)_。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，波分復(fù)用器件的性能受到多種因素的影響，如制作工藝的精度、溫度變化等。制作工藝的微小偏差可能導(dǎo)致波導(dǎo)的長(zhǎng)度和間距出現(xiàn)誤差，從而影響波分復(fù)用器的波長(zhǎng)選擇和隔離度性能。溫度變化也會(huì)引起波導(dǎo)材料的折射率變化，進(jìn)而影響光信號(hào)的傳輸特性。因此，在設(shè)計(jì)和使用波分復(fù)用器件時(shí)，需要采用高精度的制作工藝，并對(duì)溫度等環(huán)境因素進(jìn)行精確控制，以確保其性能的穩(wěn)定性。窄帶濾波器件在降低線性串?dāng)_和非線性噪聲方面同樣具有重要作用。它通過精確篩選出量子信號(hào)，同時(shí)有效地阻擋經(jīng)典光信號(hào)，從而降低噪聲對(duì)量子信號(hào)的干擾。例如，基于法布里-珀羅（F-P）干涉原理的窄帶濾波器，其工作原理是利用兩個(gè)平行的反射鏡之間的多次反射和干涉，使得只有特定波長(zhǎng)的光能夠通過。通過調(diào)整反射鏡的間距和反射率，可以精確控制濾波器的中心波長(zhǎng)和帶寬。在量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸中，選擇合適帶寬的窄帶濾波器件至關(guān)重要。過窄的濾波器件雖然能夠有效阻擋經(jīng)典光信號(hào)，但可能會(huì)對(duì)量子信號(hào)光引入巨大衰減。這是因?yàn)榱孔有盘?hào)光的波長(zhǎng)范圍相對(duì)較窄，當(dāng)濾波器件的帶寬過窄時(shí)，量子信號(hào)光在通過濾波器時(shí)會(huì)有較多的能量損失，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度減弱，接收端難以準(zhǔn)確地檢測(cè)到量子信號(hào)。因此，在選擇窄帶濾波器件時(shí)，需要綜合考慮量子信號(hào)的波長(zhǎng)特性、噪聲水平以及信號(hào)衰減等因素，通過優(yōu)化濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)，如中心波長(zhǎng)、帶寬、插入損耗等，在保證降低噪聲的同時(shí)，避免對(duì)量子信號(hào)光引入過大衰減。在頻域?yàn)V波的基礎(chǔ)上，還可以利用單光子探測(cè)器的有效門寬在時(shí)域上進(jìn)行濾波。單光子探測(cè)器的有效門寬是指探測(cè)器能夠有效響應(yīng)光子的時(shí)間窗口。通過合理設(shè)置單光子探測(cè)器的有效門寬，可以在時(shí)域上對(duì)量子信號(hào)進(jìn)行篩選，只接收在特定時(shí)間窗口內(nèi)到達(dá)的光子，從而進(jìn)一步降低噪聲的影響。例如，在某些實(shí)驗(yàn)中，通過將單光子探測(cè)器的有效門寬設(shè)置為與量子信號(hào)的脈沖寬度相匹配，能夠有效地減少背景噪聲和其他干擾信號(hào)的影響，提高量子信號(hào)的檢測(cè)精度。然而，在進(jìn)行時(shí)域和頻域同時(shí)濾波時(shí)，需要滿足時(shí)間帶寬積的物理限制。根據(jù)時(shí)間帶寬積的原理，信號(hào)的時(shí)間寬度和頻率帶寬的乘積是一個(gè)常數(shù)，當(dāng)在時(shí)域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致頻域上的帶寬展寬，反之亦然。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)需求和信號(hào)特性，合理調(diào)整時(shí)域和頻域的濾波參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的噪聲抑制效果。3.3.2降低經(jīng)典信號(hào)光強(qiáng)策略降低經(jīng)典光信號(hào)的光功率是降低線性串?dāng)_和非線性噪聲最直接有效的辦法。在量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸中，經(jīng)典光信號(hào)的高功率會(huì)引發(fā)多種噪聲問題。經(jīng)典光信號(hào)的強(qiáng)功率會(huì)導(dǎo)致光纖中的非線性效應(yīng)增強(qiáng)，如受激拉曼散射（SRS）和四波混頻（FWM）等。這些非線性效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生額外的噪聲，干擾量子信號(hào)的傳輸，增加量子比特誤碼率。經(jīng)典光信號(hào)的高功率還可能導(dǎo)致波分復(fù)用器件和濾波器件的工作性能受到影響，增加線性串?dāng)_的可能性。因此，降低經(jīng)典信號(hào)光強(qiáng)能夠有效減少這些噪聲的產(chǎn)生，提高量子信號(hào)的傳輸質(zhì)量。在實(shí)際環(huán)境中，不能無限制地降低經(jīng)典信號(hào)光強(qiáng)，因?yàn)樾枰紤]經(jīng)典光通信系統(tǒng)的功率預(yù)算。經(jīng)典光通信系統(tǒng)在傳輸過程中，光信號(hào)會(huì)受到光纖損耗、連接器損耗等多種因素的影響，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度逐漸減弱。為了保證經(jīng)典光通信系統(tǒng)能夠正常工作，需要在發(fā)送端提供足夠的光功率，以補(bǔ)償傳輸過程中的信號(hào)損耗。在長(zhǎng)距離的經(jīng)典光通信中，光信號(hào)需要經(jīng)過多次光放大器的放大，才能保證接收端能夠接收到清晰的信號(hào)。如果過度降低經(jīng)典信號(hào)光強(qiáng)，可能會(huì)導(dǎo)致經(jīng)典光通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量下降，出現(xiàn)誤碼率增加、信號(hào)中斷等問題。為了在抑制噪聲與保證經(jīng)典通信性能之間尋求平衡，需要綜合考慮多個(gè)因素。首先，需要對(duì)經(jīng)典光通信系統(tǒng)的功率預(yù)算進(jìn)行精確計(jì)算。根據(jù)光纖的損耗特性、傳輸距離以及系統(tǒng)的噪聲容限等參數(shù)，確定經(jīng)典光信號(hào)在發(fā)送端所需的最小功率。然后，結(jié)合量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)對(duì)噪聲的容忍程度，合理調(diào)整經(jīng)典信號(hào)光強(qiáng)。在調(diào)整過程中，可以采用一些技術(shù)手段來優(yōu)化系統(tǒng)性能。例如，采用光放大器對(duì)經(jīng)典光信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大，在保證經(jīng)典光通信系統(tǒng)正常工作的前提下，盡量降低經(jīng)典信號(hào)光強(qiáng)對(duì)量子信號(hào)的干擾。還可以通過優(yōu)化波分復(fù)用器件和濾波器件的性能，提高系統(tǒng)的隔離度和抗干擾能力，從而在一定程度上降低對(duì)經(jīng)典信號(hào)光強(qiáng)的依賴。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過實(shí)驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法來確定最佳的經(jīng)典信號(hào)光強(qiáng)。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同光強(qiáng)下經(jīng)典光通信系統(tǒng)和量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的性能參數(shù)，如誤碼率、量子比特誤碼率、量子密鑰生成速率等，建立性能與光強(qiáng)之間的關(guān)系模型。然后，利用仿真軟件對(duì)不同場(chǎng)景下的共纖傳輸系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，進(jìn)一步優(yōu)化經(jīng)典信號(hào)光強(qiáng)的設(shè)置。通過這種實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法，可以更加準(zhǔn)確地找到抑制噪聲與保證經(jīng)典通信性能之間的平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸系統(tǒng)的最佳性能。3.3.3量子信號(hào)波長(zhǎng)優(yōu)化面對(duì)不同的經(jīng)典通信系統(tǒng)，選擇合適的量子信號(hào)波長(zhǎng)至關(guān)重要，這直接關(guān)系到量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸?shù)男阅堋Ｔ趯?shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮多種因素來優(yōu)化量子信號(hào)波長(zhǎng)。增加量子和經(jīng)典光信號(hào)的波長(zhǎng)間隔是一種常見的降低噪聲的方案。例如，將量子信號(hào)分配到O波段，因?yàn)镺波段與經(jīng)典通信常用的C波段和L波段波長(zhǎng)間隔較大，能夠有效減少經(jīng)典光信號(hào)對(duì)量子信號(hào)的干擾。這種方案是以犧牲路徑損耗來降低噪聲的。由于O波段的光纖損耗相對(duì)較高，量子信號(hào)在傳輸過程中的能量損失會(huì)增加，這可能會(huì)影響量子信號(hào)的傳輸距離和質(zhì)量。因此，在選擇這種方案時(shí)，需要在噪聲抑制和路徑損耗之間進(jìn)行權(quán)衡。可以通過優(yōu)化光纖的傳輸特性，如采用低損耗光纖、優(yōu)化光纖的連接方式等，來降低路徑損耗對(duì)量子信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽＿€可以通過提高量子信號(hào)的發(fā)射功率、采用高靈敏度的單光子探測(cè)器等方式，來補(bǔ)償路徑損耗帶來的信號(hào)衰減，確保量子信號(hào)能夠在長(zhǎng)距離傳輸中保持較高的質(zhì)量。由于斯托克斯SRS噪聲大于反斯托克斯噪聲，將量子信號(hào)波長(zhǎng)分配到短波長(zhǎng)處可以在一定程度上降低噪聲。在短波長(zhǎng)區(qū)域，SRS的增益相對(duì)較低，能夠減少噪聲的產(chǎn)生。然而，將量子信號(hào)波長(zhǎng)分配到短波長(zhǎng)處也會(huì)帶來路徑損耗增加的問題。因?yàn)楣饫w對(duì)短波長(zhǎng)光的吸收和散射相對(duì)較大，這會(huì)導(dǎo)致量子信號(hào)在傳輸過程中的能量損失增加，影響信號(hào)的傳輸距離和質(zhì)量。為了克服這一問題，可以采用一些特殊的光纖材料或光纖結(jié)構(gòu)，如光子晶體光纖，其具有獨(dú)特的光學(xué)特性，能夠在短波長(zhǎng)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)低損耗傳輸。還可以通過優(yōu)化量子信號(hào)的調(diào)制和編碼方式，提高信號(hào)的抗干擾能力，以應(yīng)對(duì)路徑損耗增加帶來的挑戰(zhàn)。當(dāng)經(jīng)典信號(hào)通道等間隔時(shí)，量子信號(hào)波長(zhǎng)要避免四波混頻噪聲。四波混頻是指四個(gè)光波在光纖中相互作用，產(chǎn)生新的光波，這些新產(chǎn)生的光波會(huì)與量子信號(hào)相互干擾，破壞量子信號(hào)的完整性。為了避免四波混頻噪聲，需要精確計(jì)算量子信號(hào)波長(zhǎng)與經(jīng)典信號(hào)波長(zhǎng)之間的關(guān)系，選擇合適的量子信號(hào)波長(zhǎng)。將量子和經(jīng)典光信號(hào)處于偏振正交狀態(tài)可抑制四波混頻噪聲，但此方法僅適用于非偏振編碼的QKD和經(jīng)典通信系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)采用偏振編碼方式，這就限制了該方法的應(yīng)用范圍。因此，在選擇量子信號(hào)波長(zhǎng)時(shí)，需要根據(jù)具體的量子密鑰分發(fā)協(xié)議和經(jīng)典通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，綜合考慮各種因素，選擇能夠有效避免四波混頻噪聲的波長(zhǎng)。在選擇量子信號(hào)波長(zhǎng)時(shí)，還需要考慮量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的其他性能要求，如量子密鑰生成速率、量子比特誤碼率等。不同的波長(zhǎng)可能會(huì)對(duì)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生不同的影響。較長(zhǎng)波長(zhǎng)的量子信號(hào)可能具有較低的路徑損耗，但可能會(huì)受到更多的噪聲干擾；較短波長(zhǎng)的量子信號(hào)可能能夠有效降低噪聲，但路徑損耗較大。因此，需要通過實(shí)驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法，對(duì)不同波長(zhǎng)下量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的性能進(jìn)行全面評(píng)估，找到最適合的量子信號(hào)波長(zhǎng)，以實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸系統(tǒng)的最佳性能。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析4.1量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果4.1.1密鑰生成與傳輸性能經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了量子密鑰的穩(wěn)定生成與傳輸。在100公里的光纖傳輸距離下，量子密鑰的平均生成速率達(dá)到了10.5kbps，量子比特誤碼率（QBER）穩(wěn)定控制在4.8%，滿足了實(shí)驗(yàn)預(yù)期的性能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的量子密鑰生成速率與理論值相比，存在一定的差異。理論上，在理想條件下，基于本實(shí)驗(yàn)所采用的量子密鑰分發(fā)協(xié)議和設(shè)備參數(shù)，量子密鑰生成速率可達(dá)到12kbps。實(shí)際生成速率略低于理論值，主要原因在于實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)境并非完全理想。光纖傳輸過程中的損耗不可避免，盡管采用了低損耗光纖和光放大器來補(bǔ)償信號(hào)衰減，但仍會(huì)有部分量子信號(hào)在傳輸過程中丟失，導(dǎo)致接收端接收到的有效量子信號(hào)數(shù)量減少，從而影響了密鑰生成速率。量子光源的性能波動(dòng)也對(duì)密鑰生成速率產(chǎn)生了一定影響。雖然選用的半導(dǎo)體量子點(diǎn)單光子源具有較高的量子效率和穩(wěn)定性，但在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中，仍會(huì)受到溫度、電流等因素的影響，導(dǎo)致光源輸出的單光子信號(hào)存在一定的抖動(dòng)和偏差，降低了量子信號(hào)的質(zhì)量和傳輸效率。量子比特誤碼率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)期較為接近。理論上，在無竊聽和干擾的情況下，量子比特誤碼率應(yīng)保持在較低水平，一般不超過5%。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的誤碼率為4.8%，處于可接受的范圍內(nèi)。分析誤碼產(chǎn)生的原因，主要包括以下幾個(gè)方面。量子信號(hào)在傳輸過程中受到噪聲干擾，光纖中的非線性效應(yīng)，如受激拉曼散射（SRS）和四波混頻（FWM）等，會(huì)產(chǎn)生額外的噪聲，干擾量子信號(hào)的傳輸，導(dǎo)致量子比特誤碼率增加。盡管采取了一系列措施來降低噪聲干擾，如優(yōu)化量子信號(hào)波長(zhǎng)、降低經(jīng)典信號(hào)光強(qiáng)等，但仍無法完全消除噪聲的影響。單光子探測(cè)器的性能也會(huì)對(duì)誤碼率產(chǎn)生影響。探測(cè)器的暗計(jì)數(shù)率、探測(cè)效率等參數(shù)會(huì)隨著環(huán)境溫度、工作時(shí)間等因素的變化而波動(dòng)，當(dāng)暗計(jì)數(shù)率升高時(shí)，會(huì)引入額外的誤碼，影響量子密鑰的質(zhì)量。為了進(jìn)一步提高量子密鑰的生成速率和降低誤碼率，后續(xù)研究可以從以下幾個(gè)方面展開。在硬件方面，進(jìn)一步優(yōu)化量子光源和單光子探測(cè)器的性能，采用更先進(jìn)的制冷技術(shù)和溫度控制技術(shù)，減少環(huán)境因素對(duì)設(shè)備性能的影響，提高量子信號(hào)的穩(wěn)定性和質(zhì)量。在傳輸鏈路方面，研究新型的光纖材料和傳輸技術(shù)，降低光纖的損耗和非線性效應(yīng)，提高量子信號(hào)的傳輸效率。在算法方面，優(yōu)化量子密鑰分發(fā)協(xié)議中的糾錯(cuò)和隱私放大算法，提高算法的效率和準(zhǔn)確性，進(jìn)一步降低誤碼率，提高密鑰的安全性。4.1.2安全性驗(yàn)證結(jié)果為了驗(yàn)證量子密鑰分發(fā)的安全性，本實(shí)驗(yàn)采用了多種檢測(cè)方法和技術(shù)手段，對(duì)量子信道進(jìn)行了全面的監(jiān)測(cè)和分析。實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)量子比特誤碼率的監(jiān)測(cè)來檢測(cè)是否存在竊聽行為。根據(jù)量子力學(xué)的基本原理，竊聽行為必然會(huì)對(duì)量子態(tài)產(chǎn)生干擾，從而導(dǎo)致量子比特誤碼率升高。在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)時(shí)記錄量子比特誤碼率的變化情況，設(shè)定誤碼率閾值為5%。當(dāng)誤碼率超過閾值時(shí)，系統(tǒng)立即發(fā)出警報(bào)，提示可能存在竊聽行為。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，量子比特誤碼率始終保持在4.8%，未超過閾值，表明量子信道未受到明顯的竊聽干擾。采用誘騙態(tài)技術(shù)對(duì)量子密鑰分發(fā)的安全性進(jìn)行了進(jìn)一步驗(yàn)證。誘騙態(tài)技術(shù)通過發(fā)送不同強(qiáng)度的光脈沖，來探測(cè)量子信道中是否存在竊聽者。在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置了多個(gè)不同強(qiáng)度的誘騙態(tài)光脈沖，與正常的量子信號(hào)光脈沖一起發(fā)送。通過分析接收端接收到的不同強(qiáng)度光脈沖的響應(yīng)情況，判斷是否存在竊聽行為。如果存在竊聽者，其對(duì)不同強(qiáng)度光脈沖的測(cè)量行為會(huì)導(dǎo)致接收端接收到的光脈沖響應(yīng)出現(xiàn)異常。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，接收端接收到的光脈沖響應(yīng)符合預(yù)期，未發(fā)現(xiàn)異常情況，進(jìn)一步證明了量子密鑰分發(fā)的安全性。盡管實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明量子密鑰分發(fā)在當(dāng)前條件下具有較高的安全性，但仍存在一些潛在的安全漏洞需要關(guān)注。量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的設(shè)備可能存在一些物理缺陷，如單光子探測(cè)器的探測(cè)效率不均勻、量子光源的輸出不穩(wěn)定等，這些缺陷可能被攻擊者利用，從而影響系統(tǒng)的安全性。量子密鑰分發(fā)協(xié)議在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)受到一些非理想因素的影響，如環(huán)境噪聲、信道損耗等，這些因素可能導(dǎo)致協(xié)議的安全性降低。為了防范潛在的安全漏洞，采取了一系列針對(duì)性的措施。在設(shè)備層面，對(duì)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)和篩選，確保設(shè)備的性能符合要求。定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和校準(zhǔn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)設(shè)備的潛在缺陷。在協(xié)議層面，對(duì)量子密鑰分發(fā)協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，增強(qiáng)協(xié)議的抗干擾能力和安全性。結(jié)合多種加密技術(shù)，對(duì)量子密鑰進(jìn)行二次加密，進(jìn)一步提高密鑰的安全性。加強(qiáng)對(duì)量子信道的監(jiān)測(cè)和防護(hù)，采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)和防護(hù)設(shè)備，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和阻止?jié)撛诘墓粜袨椋_保量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。4.2經(jīng)典光通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果4.2.1數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量指標(biāo)在經(jīng)典光通信實(shí)驗(yàn)中，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率、誤碼率和信號(hào)衰減等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了精確測(cè)量與深入分析。實(shí)驗(yàn)采用了10Gbps的以太網(wǎng)信號(hào)作為經(jīng)典光通信的測(cè)試信號(hào)，通過分布式反饋激光器（DFB）將電信號(hào)調(diào)制到光載波上，經(jīng)過單模光纖傳輸后，在接收端使用光探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并通過誤碼測(cè)試儀對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的經(jīng)典光通信數(shù)據(jù)傳輸速率穩(wěn)定在9.95Gbps，接近理論值10Gbps，傳輸速率的穩(wěn)定性較高，波動(dòng)范圍控制在±0.05Gbps以內(nèi)。這表明在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)條件下，經(jīng)典光通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆７治鰝鬏斔俾式咏碚撝档脑颍饕靡嬗谒x用的高質(zhì)量光器件和優(yōu)化的傳輸鏈路。分布式反饋激光器具有高穩(wěn)定性和精確的波長(zhǎng)控制能力，能夠產(chǎn)生高質(zhì)量的光載波信號(hào)，確保了信號(hào)調(diào)制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。單模光纖的低損耗和低色散特性，有效減少了信號(hào)在傳輸過程中的衰減和畸變，保證了信號(hào)的完整性和高速傳輸能力。經(jīng)典光通信的誤碼率維持在10-9以下，遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的10-6。如此低的誤碼率表明經(jīng)典光通信在傳輸過程中受到的干擾極小，信號(hào)質(zhì)量高，能夠保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。對(duì)誤碼產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，主要是由于光纖傳輸過程中的噪聲干擾和光器件的固有噪聲。盡管采取了一系列降噪措施，如優(yōu)化光纖連接、采用低噪聲光放大器等，但仍無法完全消除噪聲的影響。不過，這些噪聲對(duì)誤碼率的影響在可接受范圍內(nèi)，未對(duì)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。信號(hào)衰減方面，在100公里的光纖傳輸距離下，光信號(hào)的平均衰減為20dB。通過在傳輸鏈路中合理加入摻鉺光纖放大器（EDFA），有效地補(bǔ)償了信號(hào)衰減，確保了接收端能夠接收到足夠強(qiáng)度的光信號(hào)。摻鉺光纖放大器能夠?qū)?550nm波長(zhǎng)附近的光信號(hào)進(jìn)行有效放大，其增益特性穩(wěn)定，噪聲系數(shù)較低，能夠在補(bǔ)償信號(hào)衰減的同時(shí)，保持信號(hào)的質(zhì)量。分析信號(hào)衰減的原因，主要是光纖的固有損耗和連接損耗。光纖的固有損耗包括吸收損耗和散射損耗，這是由光纖材料的特性決定的。連接損耗則主要來自光纖接頭和連接器的不完善，通過優(yōu)化光纖連接工藝和選用高質(zhì)量的連接器，能夠有效降低連接損耗，減少信號(hào)衰減。4.2.2與共纖傳輸?shù)募嫒菪栽谂c量子密鑰分發(fā)共纖傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)中，經(jīng)典光通信系統(tǒng)在傳輸速率、誤碼率和信號(hào)衰減等方面受到了一定程度的影響。傳輸速率略有下降，從單獨(dú)傳輸時(shí)的9.95Gbps降至9.9Gbps，下降幅度約為0.5%。誤碼率也有所上升，從10-9提升至10-8，但仍處于較低水平，未對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃援a(chǎn)生嚴(yán)重影響。信號(hào)衰減方面，平均衰減增加了1dB，達(dá)到21dB。深入分析這些影響產(chǎn)生的原因，主要是量子信號(hào)與經(jīng)典光信號(hào)之間的干擾以及共纖傳輸過程中的非線性效應(yīng)。量子信號(hào)與經(jīng)典光信號(hào)在同一光纖中傳輸時(shí)，由于波長(zhǎng)間隔有限，不可避免地會(huì)產(chǎn)生線性串?dāng)_。經(jīng)典光信號(hào)的高功率會(huì)引發(fā)光纖中的非線性效應(yīng)，如受激拉曼散射（SRS）和四波混頻（FWM）等，這些非線性效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生額外的噪聲，干擾經(jīng)典光信號(hào)的傳輸，導(dǎo)致傳輸速率下降、誤碼率上升和信號(hào)衰減增加。為了解決這些兼容性問題，采取了一系列針對(duì)性的措施。在波分復(fù)用技術(shù)方面，進(jìn)一步優(yōu)化波分復(fù)用器件的設(shè)計(jì)，提高其隔離度，減少量子信號(hào)與經(jīng)典光信號(hào)之間的串?dāng)_。采用基于光子晶體的波分復(fù)用器件，利用光子晶體獨(dú)特的光子帶隙特性，實(shí)現(xiàn)了更高的隔離度，有效降低了線性串?dāng)_。優(yōu)化量子信號(hào)的波長(zhǎng)分配，根據(jù)經(jīng)典光通信系統(tǒng)的波長(zhǎng)分布和光纖的傳輸特性，選擇合適的量子信號(hào)波長(zhǎng)，避免與經(jīng)典光信號(hào)發(fā)生共振，減少非線性效應(yīng)的產(chǎn)生。將量子信號(hào)波長(zhǎng)分配到O波段，與經(jīng)典光通信常用的C波段和L波段保持較大的波長(zhǎng)間隔，降低了非線性噪聲的影響。還通過降低經(jīng)典信號(hào)光強(qiáng)來減少非線性效應(yīng)的產(chǎn)生，但在降低光強(qiáng)的同時(shí)，合理增加了光放大器的增益，以保證經(jīng)典光通信系統(tǒng)的正常工作。通過這些措施的綜合應(yīng)用，有效地提高了經(jīng)典光通信與量子密鑰分發(fā)共纖傳輸?shù)募嫒菪裕Ｕ狭藘烧咴谕还饫w中穩(wěn)定、高效的傳輸。4.3共纖傳輸性能綜合評(píng)估4.3.1整體傳輸性能分析綜合量子密鑰分發(fā)和經(jīng)典光通信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸在整體性能上展現(xiàn)出了一定的可行性和穩(wěn)定性。在100公里的光纖傳輸距離下，量子密鑰分發(fā)成功實(shí)現(xiàn)了平均10.5kbps的密鑰生成速率，量子比特誤碼率穩(wěn)定控制在4.8%，滿足了實(shí)驗(yàn)預(yù)期的性能指標(biāo)。經(jīng)典光通信在傳輸速率、誤碼率和信號(hào)衰減等方面也表現(xiàn)出色，數(shù)據(jù)傳輸速率穩(wěn)定在9.95Gbps，接近理論值10Gbps，誤碼率維持在10-9以下，遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的10-6，在100公里的光纖傳輸距離下，光信號(hào)的平均衰減為20dB，通過合理加入摻鉺光纖放大器（EDFA），有效地補(bǔ)償了信號(hào)衰減，確保了接收端能夠接收到足夠強(qiáng)度的光信號(hào)。在共纖傳輸過程中，雖然量子信號(hào)與經(jīng)典光信號(hào)之間存在一定的干擾，但通過一系列技術(shù)手段的應(yīng)用，如優(yōu)化波分復(fù)用技術(shù)、降低經(jīng)典信號(hào)光強(qiáng)、優(yōu)化量子信號(hào)波長(zhǎng)等，有效地降低了干擾的影響，保證了兩者的穩(wěn)定傳輸。經(jīng)典光通信在與量子密鑰分發(fā)共纖傳輸時(shí)，傳輸速率略有下降，從單獨(dú)傳輸時(shí)的9.95Gbps降至9.9Gbps，下降幅度約為0.5%，誤碼率也有所上升，從10-9提升至10-8，但仍處于較低水平，未對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃援a(chǎn)生嚴(yán)重影響。信號(hào)衰減方面，平均衰減增加了1dB，達(dá)到21dB，通過調(diào)整光放大器的增益，能夠有效補(bǔ)償這部分額外的衰減，確保經(jīng)典光通信的正常運(yùn)行。量子密鑰分發(fā)的安全性在共纖傳輸環(huán)境下也得到了有效保障。通過對(duì)量子比特誤碼率的監(jiān)測(cè)和誘騙態(tài)技術(shù)的應(yīng)用，未檢測(cè)到明顯的竊聽行為，表明量子信道在與經(jīng)典光通信共纖傳輸時(shí)，依然能夠保持較高的安全性。4.3.2影響傳輸性能的因素探討光纖損耗是影響共纖傳輸性能的重要因素之一。在長(zhǎng)距離的光纖傳輸中，光信號(hào)會(huì)受到光纖的固有損耗和連接損耗的影響，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度逐漸減弱。量子信號(hào)由于其微弱性，對(duì)光纖損耗更為敏感，較高的損耗可能導(dǎo)致量子信號(hào)衰減過大，無法被有效探測(cè)。經(jīng)典光通信信號(hào)也會(huì)因光纖損耗而影響傳輸質(zhì)量，增加誤碼率。為了降低光纖損耗的影響，在實(shí)驗(yàn)中選用了低損耗的單模光纖，并優(yōu)化了光纖的連接工藝，減少了連接損耗。合理配置光放大器，如摻鉺光纖放大器（EDFA），對(duì)光信號(hào)進(jìn)行及時(shí)放大，補(bǔ)償傳輸過程中的損耗，確保量子信號(hào)和經(jīng)典光信號(hào)能夠穩(wěn)定傳輸。噪聲干擾也是影響共纖傳輸性能的關(guān)鍵因素。光纖中的非線性效應(yīng)，如受激拉曼散射（SRS）和四波混頻（FWM）等，會(huì)產(chǎn)生額外的噪聲，干擾量子信號(hào)和經(jīng)典光信號(hào)的傳輸。經(jīng)典光信號(hào)的高功率是引發(fā)非線性效應(yīng)的主要原因之一，它會(huì)導(dǎo)致光纖中的分子振動(dòng)加劇，從而產(chǎn)生更多的噪聲。量子信號(hào)與經(jīng)典光信號(hào)之間的線性串?dāng)_也會(huì)增加噪聲水平，影響信號(hào)的準(zhǔn)確性。為了降低噪聲干擾，采用了多種技術(shù)手段。通過優(yōu)化量子信號(hào)波長(zhǎng)，增加量子和經(jīng)典光信號(hào)的波長(zhǎng)間隔，減少非線性噪聲的產(chǎn)生。將量子信號(hào)分配到O波段，與經(jīng)典通信常用的C波段和L波段保持較大的波長(zhǎng)間隔，降低了噪聲的影響。降低經(jīng)典信號(hào)光強(qiáng)，減少非線性效應(yīng)的產(chǎn)生。采用高隔離度的波分復(fù)用器件和窄帶濾波器件，降低線性串?dāng)_，提高信號(hào)的純度。設(shè)備性能對(duì)共纖傳輸性能也有著重要影響。量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的量子光源、單光子探測(cè)器，以及經(jīng)典光通信系統(tǒng)中的經(jīng)典光源、波分復(fù)用器等設(shè)備的性能，直接關(guān)系到信號(hào)的生成、傳輸和檢測(cè)質(zhì)量。量子光源的穩(wěn)定性和單光子發(fā)射效率會(huì)影響量子密鑰的生成速率和誤碼率，單光子探測(cè)器的探測(cè)效率和暗計(jì)數(shù)率會(huì)影響量子信號(hào)的檢測(cè)準(zhǔn)確性。經(jīng)典光源的波長(zhǎng)穩(wěn)定性和輸出功率會(huì)影響經(jīng)典光通信的傳輸速率和質(zhì)量，波分復(fù)用器的隔離度和插入損耗會(huì)影響量子信號(hào)與經(jīng)典光信號(hào)之間的串?dāng)_和信號(hào)衰減。為了提高設(shè)備性能，選用了高性能的設(shè)備，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行了嚴(yán)格的調(diào)試和校準(zhǔn)。采用基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)的單光子源，其具有高量子效率、窄光譜線寬以及可精確控制的發(fā)射波長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)；選用超導(dǎo)納米線探測(cè)器（SNSPD），其具備超高的探測(cè)效率和極低的噪聲水平；選用分布式反饋激光器（DFB）作為經(jīng)典光通信的光源，它具有波長(zhǎng)穩(wěn)定性好、輸出功率高的特點(diǎn)；選用基于陣列波導(dǎo)光柵（AWG）技術(shù)的波分復(fù)用器，其具有高隔離度、低插入損耗和精確的波長(zhǎng)選擇特性。五、案例分析5.1國(guó)盾量子的共纖傳輸實(shí)踐5.1.1技術(shù)方案與創(chuàng)新點(diǎn)國(guó)盾量子在量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸方面積極探索，推出了一系列具有創(chuàng)新性的技術(shù)方案，取得了顯著的成果。在技術(shù)方案上，國(guó)盾量子聯(lián)合中國(guó)電信研究院、華為等單位，創(chuàng)新性地采用模分復(fù)用等多種措施，實(shí)現(xiàn)了基于少模光纖的1Tbps經(jīng)典通信數(shù)據(jù)容量與量子密鑰分發(fā)業(yè)務(wù)在百公里級(jí)鏈路距離的共纖傳輸。研究團(tuán)隊(duì)采用模分復(fù)用方式，利用不同模式傳輸經(jīng)典信號(hào)和量子信號(hào)，有效降低了噪聲影響。通過對(duì)已有光傳送網(wǎng)信道的噪聲特性進(jìn)行深入分析，選取低噪聲的波長(zhǎng)傳輸經(jīng)典通信業(yè)務(wù)，從而降低了大帶寬經(jīng)典業(yè)務(wù)傳輸產(chǎn)生的噪聲。基于國(guó)盾量子領(lǐng)先的QKD商用設(shè)備，優(yōu)化單光子探測(cè)器時(shí)域?yàn)V波，進(jìn)一步降低了噪聲對(duì)量子信號(hào)的影響。最終在100.96km共纖傳輸時(shí)，光傳送網(wǎng)總傳輸數(shù)據(jù)容量達(dá)到1Tbps，QKD穩(wěn)定生成量子安全密鑰，密鑰率2.7kbps，該研究在安全成碼率、共纖距離和通信容量等指標(biāo)上，相較于此前公開的數(shù)據(jù)均有較大幅度提升。國(guó)盾量子還申請(qǐng)了名為“可與經(jīng)典光通信系統(tǒng)共纖傳輸?shù)牧孔用荑€分發(fā)系統(tǒng)及方法”的專利。該專利的創(chuàng)新點(diǎn)在于設(shè)計(jì)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)工作在1350nm波段，與采用1310nm波段的常規(guī)方案相比，能夠獲得更小的光纖衰減系數(shù)。通過在QKD設(shè)備發(fā)送和接收終端部署一對(duì)窄帶濾波器，相比常規(guī)方案可以在降低噪聲的同時(shí)，在QKD設(shè)備接收終端實(shí)現(xiàn)更小的損耗，從而實(shí)現(xiàn)更高的信號(hào)接收效率。這使得該量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)在與經(jīng)典光通信系統(tǒng)共纖傳輸時(shí)，無需調(diào)節(jié)經(jīng)典光通信系統(tǒng)的光強(qiáng)，并且與采用1310nm波段的常規(guī)方案相比，能夠獲得更高性能和更遠(yuǎn)傳輸距離。這些技術(shù)方案和創(chuàng)新成果，有效解決了量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸中的噪聲干擾、信號(hào)衰減等關(guān)鍵問題，為大規(guī)模量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供了新思路和重要參考，推動(dòng)了量子通信技術(shù)的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。5.1.2實(shí)際應(yīng)用效果與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)國(guó)盾量子的共纖傳輸技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果，為多個(gè)領(lǐng)域的信息安全提供了有力保障。在合肥量子城域網(wǎng)的建設(shè)中，國(guó)盾量子提供了完整的經(jīng)典-量子共纖傳輸方案，實(shí)現(xiàn)了量子信道、協(xié)商信道和業(yè)務(wù)信道的融合，構(gòu)建了目前全球最大的經(jīng)典-量子波分網(wǎng)絡(luò)。該城域網(wǎng)包含8個(gè)核心網(wǎng)站點(diǎn)和159個(gè)接入網(wǎng)站點(diǎn)，光纖全長(zhǎng)1147公里，面向政務(wù)、金融、大數(shù)據(jù)和工業(yè)等領(lǐng)域，服務(wù)近500家單位。在實(shí)際運(yùn)行過程中，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)穩(wěn)定地為各單位提供安全密鑰，經(jīng)典光通信系統(tǒng)高效地傳輸各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，兩者在共纖傳輸?shù)那闆r下，實(shí)現(xiàn)了安全、穩(wěn)定、高效的通信服務(wù)。政務(wù)部門利用該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行機(jī)密文件的傳輸，確保了信息的安全性和保密性；金融機(jī)構(gòu)通過該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行金融交易數(shù)據(jù)的傳輸，保障了交易的安全和可靠。在實(shí)際應(yīng)用中也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。深入了解用戶需求是關(guān)鍵。不同行業(yè)的用戶對(duì)通信的安全性、穩(wěn)定性和傳輸速率等方面有著不同的要求，因此在設(shè)計(jì)和部署共纖傳輸系統(tǒng)時(shí)，需要充分考慮用戶的具體需求，定制個(gè)性化的解決方案。在金融行業(yè)，對(duì)交易數(shù)據(jù)的安全性和實(shí)時(shí)性要求極高，國(guó)盾量子在為金融機(jī)構(gòu)提供共纖傳輸服務(wù)時(shí)，重點(diǎn)優(yōu)化了量子密鑰分發(fā)的安全性和經(jīng)典光通信的傳輸速率，確保金融交易的順利進(jìn)行。與合作伙伴的緊密協(xié)作至關(guān)重要。在合肥量子城域網(wǎng)的建設(shè)中，國(guó)盾量子與中國(guó)電信等合作伙伴密切配合，共同攻克技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了資源共享和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。中國(guó)電信在光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)盾量子則在量子通信技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，雙方的合作使得量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸能夠更好地落地應(yīng)用。國(guó)盾量子的共纖傳輸技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)。盡管采取了多種措施降低噪聲干擾，但在復(fù)雜的實(shí)際環(huán)境中，量子信號(hào)與經(jīng)典光信號(hào)之間仍存在一定程度的干擾，影響了傳輸性能的進(jìn)一步提升。共纖傳輸系統(tǒng)的成本仍然較高，限制了其大規(guī)模推廣應(yīng)用。為了解決這些挑戰(zhàn)，國(guó)盾量子未來需要進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)方案，研發(fā)更先進(jìn)的噪聲抑制技術(shù)和低成本的設(shè)備，以提高共纖傳輸系統(tǒng)的性能和降低成本，推動(dòng)量子通信技術(shù)的更廣泛應(yīng)用。5.2中國(guó)電信的相關(guān)實(shí)驗(yàn)成果5.2.1實(shí)驗(yàn)突破與技術(shù)亮點(diǎn)中國(guó)電信研究院聯(lián)合北京郵電大學(xué)在量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸領(lǐng)域取得了具有開創(chuàng)性的成果，其首創(chuàng)的經(jīng)典通信與雙場(chǎng)QKD共纖傳輸架構(gòu)與方案，成功攻克了共纖傳輸過程中噪聲干擾嚴(yán)重的難題，該成果已被國(guó)際頂級(jí)光學(xué)期刊《IEEEJournalofLightwaveTechnology》錄用發(fā)表。這一方案的核心技術(shù)亮點(diǎn)在于采用了空分復(fù)用技術(shù)，并設(shè)計(jì)了創(chuàng)新性的空頻雙維資源分配方案。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于多芯光纖的共存經(jīng)典通信和雙場(chǎng)QKD傳輸系統(tǒng)，利用多芯光纖的不同纖芯分別傳輸雙向經(jīng)典信號(hào)、量子信號(hào)和伺服信號(hào)。這種方式從物理層面上實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的隔離，有效降低了經(jīng)典信號(hào)對(duì)量子信號(hào)的干擾。空頻雙維資源分配方案從纖芯和波長(zhǎng)兩個(gè)維度入手，進(jìn)一步優(yōu)化了信號(hào)傳輸。通過合理分配不同纖芯上的信號(hào)波長(zhǎng)，成功降低量子通信中約50.8%噪聲干擾。該方案最高可將成碼率提升近10倍，在100公里級(jí)別的鏈路距離下，實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定的共纖傳輸，為構(gòu)建高安全、大容量、遠(yuǎn)距離的QKD網(wǎng)絡(luò)提供了重要參考。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中，團(tuán)隊(duì)對(duì)多芯光纖的特性進(jìn)行了深入研究，精確控制每個(gè)纖芯的傳輸參數(shù)，確保不同信號(hào)之間的干擾最小化。在波長(zhǎng)分配方面，通過對(duì)經(jīng)典通信信號(hào)和量子信號(hào)的頻譜分析，精心選擇互不干擾的波長(zhǎng)組合，實(shí)現(xiàn)了資源的高效利用。與傳統(tǒng)的共纖傳輸方案相比，該方案在噪聲抑制和傳輸性能提升方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)方案主要依賴波分復(fù)用技術(shù)在波長(zhǎng)維度上進(jìn)行信號(hào)分離，難以有效應(yīng)對(duì)經(jīng)典信號(hào)對(duì)量子信號(hào)的強(qiáng)干擾。而中國(guó)電信的方案通過引入空分復(fù)用和雙維資源分配，從多個(gè)維度對(duì)信號(hào)進(jìn)行管理和優(yōu)化，大大提高了共纖傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。5.2.2對(duì)行業(yè)發(fā)展的影響與啟示中國(guó)電信的這一實(shí)驗(yàn)成果對(duì)量子通信行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，為行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和商業(yè)化應(yīng)用提供了重要的啟示。從技術(shù)層面來看，該成果為量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸提供了新的技術(shù)路徑和解決方案，推動(dòng)了量子通信技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。其采用的空分復(fù)用和空頻雙維資源分配方案，為解決共纖傳輸中的噪聲干擾問題提供了新思路，有望引導(dǎo)更多的科研團(tuán)隊(duì)和企業(yè)在該領(lǐng)域進(jìn)行深入研究和技術(shù)改進(jìn)。這將促進(jìn)量子通信技術(shù)在長(zhǎng)距離、大容量傳輸方面的進(jìn)一步突破，提高量子通信系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，為量子通信的大規(guī)模應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。在商業(yè)化應(yīng)用方面，該成果為量子通信的落地應(yīng)用提供了有力支持。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，金融、政務(wù)、軍事等領(lǐng)域?qū)π畔踩囊笤絹碓礁撸孔油ㄐ偶夹g(shù)的應(yīng)用需求日益增長(zhǎng)。中國(guó)電信的實(shí)驗(yàn)成果展示了量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸在實(shí)際場(chǎng)景中的可行性和優(yōu)勢(shì)，能夠有效降低量子通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本，提高光纖資源的利用率。這將加速量子通信技術(shù)在這些領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，推動(dòng)量子通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大。例如，在金融領(lǐng)域，量子通信技術(shù)可以為金融交易提供更高等級(jí)的安全保障，防止信息泄露和篡改；在政務(wù)領(lǐng)域，能夠確保政府機(jī)密信息的安全傳輸，提升政務(wù)通信的安全性和可靠性。中國(guó)電信的實(shí)驗(yàn)成果還對(duì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定和完善具有重要意義。其在共纖傳輸技術(shù)方面的創(chuàng)新和實(shí)踐，為制定相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范提供了參考依據(jù)。隨著量子通信技術(shù)的不斷發(fā)展，建立統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于促進(jìn)技術(shù)的互聯(lián)互通和產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展至關(guān)重要。中國(guó)電信的成果有望推動(dòng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定進(jìn)程，規(guī)范市場(chǎng)秩序，促進(jìn)量子通信產(chǎn)業(yè)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。中國(guó)電信在量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸實(shí)驗(yàn)中的成果，不僅在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了重大突破，還為行業(yè)的發(fā)展帶來了積極的影響和啟示。它將激勵(lì)更多的科研力量和產(chǎn)業(yè)資源投入到量子通信領(lǐng)域，推動(dòng)量子通信技術(shù)的不斷進(jìn)步和廣泛應(yīng)用，為未來信息安全領(lǐng)域的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究成功實(shí)現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信在100公里光纖上的共纖傳輸，在傳輸性能方面取得了顯著成果。量子密鑰分發(fā)平均密鑰生成速率達(dá)到10.5kbps，量子比特誤碼率穩(wěn)定控制在4.8%，滿足了預(yù)期的性能指標(biāo)。經(jīng)典光通信的數(shù)據(jù)傳輸速率穩(wěn)定在9.95Gbps，接近理論值10Gbps，誤碼率維持在10-9以下，遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的10-6，在100公里的光纖傳輸距離下，光信號(hào)的平均衰減為20dB，通過合理加入摻鉺光纖放大器（EDFA），有效地補(bǔ)償了信號(hào)衰減，確保了接收端能夠接