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隨著信息技術的快速發展，網絡通信的安全問題日益顯著。計算機的算力不斷提升，傳統的加密方法面臨巨大的風險，在量子計算機的破譯之下將不堪一擊。
由此，科學家便基於量子力學和密碼學開發出來量子密鑰分發技術(Quantum Key Distribution,QKD)，稱為量子保密通信，為信息安全提供了強有力的保障。
量子保密通信的原理是利用量子態的不可測量和不可複製性，在通信線路的兩端用量子密鑰對信息加密，信息如果被截獲或者複製，原有的量子態會被破壞，從而使傳輸方知道竊聽者的存在，所以量子通信也被稱為完全安全的數據傳輸方案。
量子態的單光子不可分割、不可複製，不能像傳統通信那樣進行複製放大，極大限制了光纖中的量子密鑰分發距離。因此以單光子技術為基礎的量子保密通信，傳輸距離很大程度上取決於線路中的損耗，更低衰減的光纖是延長傳輸距離的有效方式。
因此，超低損耗光纖在量子通信中的應用將變得至關重要。
那麼，什麼是超低損耗光纖？
光纖的損耗主要來自於纖芯材料的瑞利散射損耗和吸收損耗。傳統光纖在製造時需在纖芯中摻雜來提高纖芯的折射率，但卻會導致較高的瑞利散射和光纖衰減。而超低損耗光纖在纖芯中使用純二氧化矽，包層摻雜降低折射率，這樣既減小了纖芯瑞利散射帶來的衰減，又可實現信號光全反射的傳輸。
上圖為常規摻鍺纖芯光纖和純矽纖芯光纖的折射率分布示意。使用純矽芯技術實現了光纖衰減的降低，如康寧公司的SMF-28 ULL（Ultra LowLoss，超低損耗）純矽芯光纖，1550nm處的衰減可以降低至0.16 dB/km（常規光纖為0.20 dB/km）。
超低損耗光纖在量子通信中的應用
對於量子通信來說，增加安全通信距離、提高安全成碼率和提高系統的安全性，是實用性量子密鑰分發技術最重要的3個目標。那麼超低損耗光纖在這幾個方面表現如何呢？
01
增加安全通信距離
對於長距離廣域的量子密鑰分發，需分成2個步驟實現，首先通過光纖實現百千米的量子城域網絡；然後通過可信中繼器實現量子城際網絡。我國這一領域的應用也同樣走在世界前列，2017年開通的京滬量子幹線，全長為2000km，共使用32個可信任中繼站，每2個中繼站之間的平均距離為62.5km。而如果採用超低損耗光纖，能夠提升每個中繼站之間的距離，理論上需要的可信中繼站更少 (如圖3所示)。中繼站數量的減少一方面可以減少設備的投入；另一方面也減少了整個鏈路的潛在安全隱患（可信任中繼站是量子保密技術中安全較為薄弱的環節），提高了鏈路的整體安全性能。
02
增加成碼率
量子通信的密鑰生成速率即成碼率是衡量QKD系統性能優劣的重要指標，高的成碼率可以加密更多的數據，形成更複雜的加密體系，而且只有到達一定速率的量子秘鑰分發才具有商用價值。成碼率會隨著距離增加而呈指數衰減。超低損耗光纖在同樣的傳輸距離內的衰減更低（見圖5），因此在系統配置相同的情況下能夠提供更高的成碼率。如100km的距離，採用超低損耗光纖比普通光纖的鏈路衰減低3dB左右，顯著提高了系統密鑰成碼率。
03
推動經典信號與光纖的共纖傳輸的商業化
基於單光子技術的量子密鑰分發系統中，量子信道和經典信道分別從不同的光纖獨立傳輸。這是因為量子信道信號強度比經典通信信號的強度小很多，如果量子信道和經典信通同時傳輸，經典信道的強信號產生一系列非線性效應嚴重影響QKD系統的傳輸效果，如信道串擾、拉曼散射、自發輻射。而量子通信與經典光傳輸系統如果能實現共纖傳輸，能夠大大降低量子保密通信網絡建設成本，有利於量子保密通信的實用與推廣。
目前國外的歐洲東芝歐洲實驗室、瑞士日內瓦大學、西班牙馬德裡大學等均開展了相關研究，實現了千兆光通信、10G波分系統和QKD量子信道復用光纖的實驗。國內，中國電信和科大國盾合作開展了相關研究，完成了百兆、千兆光通信以及波分系統等和QKD量子信道共用光纖的試驗，該實驗是全球首個商用量子密鑰分發系統與商用8Tbps (80×100 Gbps) 大容量密集波分復用系統共纖超長距傳輸試驗，在超低損耗光纖上實現了100km以上單跨傳輸。
因此，經過多個研究機構對超低損耗光纖的實驗測試與實踐檢驗，超低損耗光纖在增加安全通信距離、提高安全成碼率和提高系統的安全性都具有明顯優勢，必將推動量子計算和量子保密通信領域的快速發展，並在量子計算的時代扮演重要的網絡基礎設施。