量子级联激光或可实现保密的自由空间通信

来源：optics.org

自由空间光通信（free-space optical communication）是远距离的两个设备之间使用光来承载信息的通信，是实现高速通信（如6G通信）的一种很有前景的系统。这种通信系统不受电磁干扰的影响。虽然一些研究强调了自由空间光通信的可能优势，但迄今为止，这种通信系统具有一定的局限性，特别是安全性目前还是较为有限的。

巴黎电信（Télécom Paris）、mirSense、达姆施塔特工业大学（Technical University of Darmstadt）和加州大学洛杉矶分校（University of California, Los Angeles）的研究人员最近了介绍了一种基于中红外量子级联激光（QCL），并且更安全的全新自由空间光通信系统。此项研究发表在《自然通讯》（Nature Communications）。

图一 《基于QCL的保密自由空间通信》研究发表于《Nature Communications》

“我们研究背后的核心思想是使用量子密钥分发的保密自由空间通信。这个技术很有前景，但可能需要数年或更长的研发时间，”进行这项研究的研究人员之一奥利维尔·斯皮茨 (Olivier Spitz) 评论道。“目前，这项技术的主要限制是它对低温系统的要求、非常慢的数据速率和昂贵的设备。”

Spitz和他的同事提出了一个基于使用两个单向耦合QCL的新系统，实现量子力学定律的加密协议，能够替代过去其他研究中提出的保密自由空间通信系统。

研究人员将混沌同步（chaos synchronization）与QCL技术的中红外波长相结合。混沌同步是一种特殊的特性，几十年来一直在半导体激光器的背景下进行研究。Spitz解释说：“混沌同步是实现保密通信的关键。中红外激光与大多数半导体激光器发射的近红外光相比，大气的衰减较低，因此，我们可以设想在远距离传输中可以不受大气条件影响。此外，因为背景辐射在太阳背景光谱相同范围内（8-12um），中远红外波长意味着更容易隐身。”

同时，QCL的中红外波长使潜在的攻击者更难破译使用研究人员系统交换的信息，这意味着进一步提高了通信的安全性。

“我觉得最显着的成就是两个QCL之间成功的混沌同步，”Spitz 说 “几年前，我们通过实验证明QCL可以产生时间混沌，现在我们通过实现基于混沌同步的私人通信更进一步。”

到目前为止，研究人员仅描述了他们提出的系统的概念证明，其中两个QCL之间的距离仅为一米，还不是自由空间通信的现实配置。他们希望改进他们的系统，使其更适合现实世界的实现。

“我们计划将这个距离增加到数百米，然后是公里，以建立一个可以操作的系统，”Spitz说。 “除了QCL，还有其他中红外半导体激光器，如带间级联激光器（ICL）。我们计划用ICL重复相同的实验，以确定中红外波长保密通信的最佳配置。”

参考文献：

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