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(liang) 個(ge) 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）的一種很有前景的係統。這種通信係統不受電磁幹擾的影響。雖然一些研究強調了自由空間光通信的可能優(you) 勢，但迄今為(wei) 止，這種通信係統具有一定的局限性，特別是安全性目前還是較為(wei) 有限的。

巴黎電信（Télécom Paris）、mirSense、達姆施塔特工業(ye) 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於(yu) 中紅外量子級聯激光（QCL），並且更安全的全新自由空間光通信係統。此項研究發表在《自然通訊》（Nature Communications）。

圖一 《基於(yu) QCL的保密自由空間通信》研究發表於(yu) 《Nature Communications》

“我們(men) 研究背後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(ge) 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，這項技術的主要限製是它對低溫係統的要求、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(ge) 基於(yu) 使用兩(liang) 個(ge) 單向耦合QCL的新係統，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係統。

研究人員將混沌同步（chaos synchronization）與(yu) 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(ti) 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(guan) 鍵。中紅外激光與(yu) 大多數半導體(ti) 激光器發射的近紅外光相比，大氣的衰減較低，因此，我們(men) 可以設想在遠距離傳(chuan) 輸中可以不受大氣條件影響。此外，因為(wei) 背景輻射在太陽背景光譜相同範圍內(nei) （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係統交換的信息，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(liang) 個(ge) QCL之間成功的混沌同步，"Spitz 說 “幾年前，我們(men) 通過實驗證明QCL可以產(chan) 生時間混沌，現在我們(men) 通過實現基於(yu) 混沌同步的私人通信更進一步。"

到目前為(wei) 止，研究人員僅(jin) 描述了他們(men) 提出的係統的概念證明，其中兩(liang) 個(ge) QCL之間的距離僅(jin) 為(wei) 一米，還不是自由空間通信的現實配置。他們(men) 希望改進他們(men) 的係統，使其更適合現實世界的實現。

“我們(men) 計劃將這個(ge) 距離增加到數百米，然後是公裏，以建立一個(ge) 可以操作的係統，"Spitz說。 “除了QCL，還有其他中紅外半導體(ti) 激光器，如帶間級聯激光器（ICL）。我們(men) 計劃用ICL重複相同的實驗，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).