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自由空間光通信（free-space optical communication）是遠(yuǎn)距離的兩個(gè)設(shè)備之間使用光來(lái)承載信息的通信，是實(shí)現(xiàn)高速通信（如6G通信）的一種很有前景的系統(tǒng)。這種通信系統(tǒng)不受電磁干擾的影響。雖然一些研究強(qiáng)調(diào)了自由空間光通信的可能優(yōu)勢(shì)，但迄今為止，這種通信系統(tǒng)具有一定的局限性，特別是安全性目前還是較為有限的。

巴黎電信（Télécom Paris）、mirSense、達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)（Technical University of Darmstadt）和加州大學(xué)洛杉磯分校（University of California, Los Angeles）的研究人員最近了介紹了一種基于中紅外量子級(jí)聯(lián)激光（QCL），并且更安全的全新自由空間光通信系統(tǒng)。此項(xiàng)研究發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）。

圖一 《基于QCL的保密自由空間通信》研究發(fā)表于《Nature Communications》

“我們研究背后的核心思想是使用量子密鑰分發(fā)的保密自由空間通信。這個(gè)技術(shù)很有前景，但可能需要數(shù)年或更長(zhǎng)的研發(fā)時(shí)間，”進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究人員之一奧利維爾·斯皮茨 (Olivier Spitz) 評(píng)論道。“目前，這項(xiàng)技術(shù)的主要限制是它對(duì)低溫系統(tǒng)的要求、非常慢的數(shù)據(jù)速率和昂貴的設(shè)備。”

Spitz和他的同事提出了一個(gè)基于使用兩個(gè)單向耦合QCL的新系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)量子力學(xué)定律的加密協(xié)議，能夠替代過(guò)去其他研究中提出的保密自由空間通信系統(tǒng)。

研究人員將混沌同步（chaos synchronization）與QCL技術(shù)的中紅外波長(zhǎng)相結(jié)合。混沌同步是一種特殊的特性，幾十年來(lái)一直在半導(dǎo)體激光器的背景下進(jìn)行研究。Spitz解釋說(shuō)：“混沌同步是實(shí)現(xiàn)保密通信的關(guān)鍵。中紅外激光與大多數(shù)半導(dǎo)體激光器發(fā)射的近紅外光相比，大氣的衰減較低，因此，我們可以設(shè)想在遠(yuǎn)距離傳輸中可以不受大氣條件影響。此外，因?yàn)楸尘拜椛湓谔?yáng)背景光譜相同范圍內(nèi)（8-12um），中遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)意味著更容易隱身?！?/span>

同時(shí)，QCL的中紅外波長(zhǎng)使?jié)?span style="font-size: 14px; font-family: 宋體, SimSun;">在的攻擊者更難破譯使用研究人員系統(tǒng)交換的信息，這意味著進(jìn)一步提高了通信的安全性。

“我覺(jué)得最顯著的成就是兩個(gè)QCL之間成功的混沌同步，”Spitz 說(shuō) “幾年前，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明QCL可以產(chǎn)生時(shí)間混沌，現(xiàn)在我們通過(guò)實(shí)現(xiàn)基于混沌同步的私人通信更進(jìn)一步?！?/span>

到目前為止，研究人員僅描述了他們提出的系統(tǒng)的概念證明，其中兩個(gè)QCL之間的距離僅為一米，還不是自由空間通信的現(xiàn)實(shí)配置。他們希望改進(jìn)他們的系統(tǒng)，使其更適合現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)現(xiàn)。

“我們計(jì)劃將這個(gè)距離增加到數(shù)百米，然后是公里，以建立一個(gè)可以操作的系統(tǒng)，”Spitz說(shuō)。 “除了QCL，還有其他中紅外半導(dǎo)體激光器，如帶間級(jí)聯(lián)激光器（ICL）。我們計(jì)劃用ICL重復(fù)相同的實(shí)驗(yàn)，以確定中紅外波長(zhǎng)保密通信的最佳配置。”

參考文獻(xiàn)：

1. Spitz, O., Herdt, A., Wu, J. et al. Private communication with quantum cascade laser photonic chaos. Nat Commun 12, 3327 (2021).