量子級聯激光或可實現保密的自由空間通信

來源：optics.org

自由空間光通信（free-space optical communication）是遠距離的兩個設備之間使用光來承載信息的通信，是實現高速通信（如6G通信）的一種很有前景的系統。這種通信系統不受電磁干擾的影響。雖然一些研究強調了自由空間光通信的可能優勢，但迄今為止，這種通信系統具有一定的局限性，特別是安全性目前還是較為有限的。

巴黎電信（Télécom Paris）、mirSense、達姆施塔特工業大學（Technical University of Darmstadt）和加州大學洛杉磯分校（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聯激光（QCL），并且更安全的全新自由空間光通信系統。此項研究發表在《自然通訊》（Nature Communications）。

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

“我們研究背后的核心思想是使用量子密鑰分發的保密自由空間通信。這個技術很有前景，但可能需要數年或更長的研發時間，"進行這項研究的研究人員之一奧利維爾·斯皮茨 (Olivier Spitz) 評論道。“目前，這項技術的主要限制是它對低溫系統的要求、非常慢的數據速率和昂貴的設備。"

Spitz和他的同事提出了一個基于使用兩個單向耦合QCL的新系統，實現量子力學定律的加密協議，能夠替代過去其他研究中提出的保密自由空間通信系統。

研究人員將混沌同步（chaos synchronization）與QCL技術的中紅外波長相結合。混沌同步是一種特殊的特性，幾十年來一直在半導體激光器的背景下進行研究。Spitz解釋說：“混沌同步是實現保密通信的關鍵。中紅外激光與大多數半導體激光器發射的近紅外光相比，大氣的衰減較低，因此，我們可以設想在遠距離傳輸中可以不受大氣條件影響。此外，因為背景輻射在太陽背景光譜相同范圍內（8-12um），中遠紅外波長意味著更容易隱身。"

同時，QCL的中紅外波長使潛在的攻擊者更難破譯使用研究人員系統交換的信息，這意味著進一步提高了通信的安全性。

“我覺得最顯著的成就是兩個QCL之間成功的混沌同步，"Spitz 說 “幾年前，我們通過實驗證明QCL可以產生時間混沌，現在我們通過實現基于混沌同步的私人通信更進一步。"

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

“我們計劃將這個距離增加到數百米，然后是公里，以建立一個可以操作的系統，"Spitz說。 “除了QCL，還有其他中紅外半導體激光器，如帶間級聯激光器（ICL）。我們計劃用ICL重復相同的實驗，以確定中紅外波長保密通信的最佳配置。"

參考文獻：

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