在多核介质上实现光频传输与量子密钥分发的共存

本文提出并实验验证了在均匀多芯光纤中实现超稳光学频率参考与量子密钥分发（QKD）的混合传输方案。通过分芯传输减少串扰，利用本地参考与压控振荡器反馈补偿相位噪声，成功在20公里七芯光纤中实现频率不稳定度低于1.47×10^-17（1秒）和5.06×10^-19（10000秒），并达到317.28 kbps的密钥速率。该方案结合了高精度频率参考与QKD安全加密的优势，验证了多芯光纤在下一代量子网络中的可行性。

　　

摘要：

在这项工作中，我们提出并实验性地展示了在均匀多芯光纤（MCF）上实现超稳定光频参考信号与量子密钥分发（QKD）的混合传输。该方案通过在远端使用本地参考信号与环回频率信号进行比对来提取链路相位噪声，并通过压控振荡器（VCO）反馈进行补偿，从而实现光频的稳定。在实验之前，我们首先分析了MCF中的关键挑战，包括芯间串扰和芯间自发拉曼散射。为了最小化信号之间的串扰，量子信号和光频信号通过不同的光纤芯传输。在20公里长的七芯光纤中成功实现了光频参考信号与QKD的混合传输。在1秒时，频率不稳定度为；在10000秒时，频率不稳定度为。在这种集成传输系统中，可实现317.28 kbps的安全密钥传输速率。该方案具有两个优势：超稳定的光频为QKD提供了高精度的时钟；而QKD则为时间数据加密提供了一次性密码本。这些结果证明了我们的QKD系统结合高精度频率参考信号的可行性和多芯光纤在下一代量子网络中的适用性。

引言

高精度的时间和频率传输在导航与定位[1]、原子钟比对[2][3]、频率同步[4]以及射电天文学[5]等领域发挥着至关重要的作用。作为现代通信的介质，光纤具有高稳定性、低信号衰减和抗电磁干扰的特点。正是这些优势使得基于光纤的时间-频率传输成为满足高精度时间和频率信号需求的有效解决方案。为了提高光网络的效率，人们研究了将频率信号与其他信号类型结合的混合传输系统，包括时间和频率信号[6][7][8][9][10]、基于千兆以太网数据的超稳定时间-频率传输[11]、射频与光频的共传输[12][13]。在上述同时传输方案中，最简单的原理是通过同一根光纤利用波分复用（WDM）技术[6][7][8][11]，每种信号占用独立的通道，从而抑制信号之间的相互干扰以及光纤传输过程中的瑞利散射。然而，这种方法并未充分利用光纤的波长维度。另一种原理是使用调制技术（如相位调制或幅度调制），将低频时间信号或通信信号调制到光载波上，以实现与频率信号在同一根光纤中的传输。但由于同一通道上不同信号之间的串扰，频率传输的稳定性和通信速率都会受到影响[9][10]。