主要观点总结
东芝公司欧洲分团队利用量子力学原理创建了一种避免黑客攻击的通信系统。该研究实现了基于相干性的双场量子密钥分发协议，通过商用电信网络进行量子信息交换，代表下一代数据安全的重要进步。实验证明，该系统可以在商业网络环境中实现量子密钥分发，具有推动高性能量子网络发展的潜力。
关键观点总结
关键观点1: 量子通信系统避免黑客攻击
东芝公司欧洲分团队利用量子力学原理创建了一种通信系统，研究人员通过一条商用电信网络实现了基于相干性的双场量子密钥分发协议，加密密钥分发速度达到每秒 110 比特，这是首次在商业电信网络上实现如此大规模的简化版量子信息交换。
关键观点2: 量子密钥分发的实际应用
该研究使用量子密钥分发（QKD）加密技术，能在传统通信系统中以一种不易被黑客攻击的方式传递信息。它通过测量一个粒子的数据，可以推断出另一个粒子的信息，这使得两个粒子能够作为密钥来交换编码信息。
关键观点3: 研究成果的实际意义
这项研究不仅在实验环境中实现了量子密钥分发，还在实际网络环境中进行了验证。成果的一个实际意涵是，它可以使用商业组件来实现更高性能的量子密钥分发，为量子安全通信基础设施的国家级乃至全球范围部署铺平了道路。此外，该研究还有助于推动高性能量子网络的发展，包括先进通信协议的实施、量子中继器、量子传感网络及分布式量子计算的构建。
正文
实验结果表明，研究人员在实际网络环境中实现了类似中继器的量子通信，在不使用低温冷却的情况下，将实际量子密钥分发的实施距离延长了一倍。
改造不理想的雪崩光电二极管
据介绍，实现相干或基于相位的量子通信面临诸多挑战，例如要在远距离编码用户之间建立共同的相位参考框架，以及需要减轻激光器和传输通道产生的相位噪声。
为了应对这些挑战，研究团队开发了一种实用的架构，以用于网络节点之间的光频分发和协调，他们还使用了非低温冷却探测器来实现主动带外相位稳定。
在本次系统之中，中心节点通过服务光纤向发射节点分发两个光频参考信号，使它们能够将其激光器锁定到共同的频率参考，从而实现相互相位锁定。
与使用超稳定激光器和外腔相比，这种方法在消除激光相位噪声方面既实用、又便宜。
为了减轻光纤产生的相位噪声，研究团队采用了一种基于雪崩光电二极管（APD，avalanche photodiodes）监测的单光子干涉结果的带外相位稳定反馈系统。
尽管雪崩光电二极管能够提供基于半导体的单光子检测能力，但与超导纳米线单光子探测器（SNSPD，superconductive nanowire single-photon detectors）相比，雪崩光电二极管的性能并不理想。
如下表所示，雪崩光电二极管具有较高的暗计数、较低的探测效率以及易受余脉冲效应影响的特点。
（来源：
Nature
）
然而，雪崩光电二极管的价格比超导纳米线单光子探测器便宜一到两个数量级，不仅更具实用性，且能在与电信基础设施兼容的温度环境下工作。
为此，研究人员将带外稳定技术与雪崩光电二极管相结合。
对于长距离相干量子链路而言，想要在用户之间建立共同的相位参考框架。相比协议编码信号来说，分配相位参考信号更加重要。
传统方法采用与编码信号同光频的时分复用相位参考脉冲，但由于雪崩光电二极管的后脉冲效应，这类方案无法与之兼容。
而使用相同的雪崩光电二极管来检测强参考脉冲和协议编码信号则会引入噪声，进而会导致编码信号被掩盖。
相比之下，研究团队的带外稳定技术采用不同的光频率，进而分别用于相位参考信号和协议编码信号，这使得每个信号都能使用独立的探测器进行探测，从而消除了后脉冲串扰现象。
Alice、Bob 和 Charlie
如前所述，本次实验在德国进行，期间研究人员使用了由欧洲学术网络 GÉANT 提供的网络基础设施。GÉANT 是欧洲最大的研究和教育网络，连接着欧洲各国的学术网络，旨在为科研机构和大学等提供高速、安全的网络基础设施。
此次通信链路跨越了德国法兰克福和德国凯尔之间长度为 254 公里距离，损耗为 56.0 分贝，中途在德国基希费尔德设有一个中继站，中继站位置大约在全程的五分之三处。
这种设置形成了一个具有三个节点的星形量子网络，研究人员将网络边缘的两个发射器命名为 Alice 和 Bob，将一个中心中继接收器命名为 Charlie。其中，Charlie 通过一根光纤双工电缆与每个发射机相连。
设备被安置在托管数据中心的标准电信机架内，与现有的电信设备一同运行。
（来源：
