近期，我院量子信息与量子通信团队在高稳定性的量子安全直接通信系统研究方面取得重要进展，研究论文“无需主动偏振补偿的基于光纤的量子安全直接通信”（Fiber-based quantum secure direct communication without active polarization compensation）被《SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy》杂志接收发表。

量子安全直接通信（Quantum secure direct communication, QSDC）可以在量子信道中直接传输秘密信息，不仅可以感知窃听，而且可以抵抗窃听，使窃听者无法获得任何信息。

在现实的QSDC系统中，大多数采用time-bin相位编码方案。有用的信息被加载在光脉冲的相位上，但由于相位调制器（PMs）的单轴特性，脉冲的偏振态显著地影响了QSDC系统的性能。因此，在一个典型的QSDC系统中，需要偏振控制器（PC）来校准发射端中脉冲的偏振态。此外，由于光纤的双折射效应，到达接收端的安全检测模块的偏振态将变得不可预测，导致模块的干涉条纹可见度显著降低，从而增加了QSDC系统中的检测误码率（DBER）。因此，在一般的QSDC系统中会进行有源偏振补偿，但这种方法需要一定的监测时间，增加了系统的复杂性。

针对上述的两个问题，本文提出了一种无需主动偏振补偿的基于光纤的量子安全直接通信（QSDC）系统。为了显着简化发射端中的校准过程，我们全部使用了有助于自对准初始偏振态的保偏器件。在接收端的安全检测模块中，我们使用了一个不受偏振和环境干扰的Sagnac-Mach-Zehnder干涉仪（SMZI）。我们的系统移除了所有PC，简化了自对准，并且不受环境干扰。

实验结果表明，该系统无需任何主动偏振补偿即可连续自主运行，可保持低水平的QBER和DBER免受信道干扰。同时，通过原理性验证实验，在5 km的商业光纤上获得了3.43 kbps的保密容量。我们的QSDC系统具有出色的稳定性，适合实际部署。

图1 实验装置示意图。LD：波长为1550nm的激光二极管；ATT：衰减器；PBS：偏振分束器；CIR：环形器，箭头方向是从1到2端口；BS：分束器；PM：相位调制器；FR：90°法拉第旋转器；EPC：电动偏振控制器；SMZI：Sagnac-Mach-Zehnder干涉仪；5 km fiber：5千米商用光纤；SNSPD：超导纳米线单光子探测器；白色虚线框：非对称马赫-曾德干涉仪；蓝色实线：单模光纤；红色实线：保偏光纤。理论上，该系统需要一根存储光纤作为编码模块中的量子存储器。为了简化，这里我们将其删除。

（a）DBER                                   （b）QBER

图2 误码率测量。(a)安全检测模块在12分钟内的DBER测量。每个数据（黑点）的采集时间约为8.5 s（采集数据的时间为8 s，处理时间约为0.5 s）。红色虚线代表DBER的平均值。 蓝色实线表示周期为3分钟的偏振扰动。右轴表示对EPC施加的电压。(b)编码模块的QBER测量，时间周期为12分钟。每个数据（蓝点）的采集时间约为6秒（采集数据的时间为5秒，处理时间约为1秒）。红色虚线代表QBER的平均值。

图3 保密容量与信道衰减 。 红点显示了使用可变光衰减器模拟光纤链路的实验结果。 红色三角形是超过5公里商用光纤的实验结果。蓝线代表基于我们的实验参数的理论模拟结果。

该工作获得国家自然科学基金重点项目、面上项目、广西相对论天体物理重点实验室开放课题、北京邮电大学IPOC开放基金及广西研究生教育创新计划项目等项目资助。

论文作者：刘馨（硕士生），罗迪（硕士生），林广燊（硕士生），陈子豪（硕士生），李世卓（本科生），张程贤（副教授），张振荣，韦克金(通信作者)

论文链接： https: //engine.scichina.com /doi/10.1007/s11433-022-1976-0