中國科大實現(xiàn)500公里量級現(xiàn)場無中繼光纖量子密鑰分發(fā) 創(chuàng)造新世界紀(jì)錄

近日，中國科大教授潘建偉及其同事張強(qiáng)、陳騰云與濟(jì)南量子技術(shù)研究院王向斌、劉洋等合作，利用中科院上海微系統(tǒng)所尤立星小組研制的超導(dǎo)探測器，基于“濟(jì)青干線”現(xiàn)場光纜，突破現(xiàn)場遠(yuǎn)距離高性能單光子干涉技術(shù)，分別采用激光注入鎖定實現(xiàn)了 428 公里雙場量子密鑰分發(fā)(TF-QKD)，同時利用時頻傳遞技術(shù)實現(xiàn)了 511 公里 TF-QKD，是目前現(xiàn)場無中繼光纖 QKD 最遠(yuǎn)的傳輸距離。

其中，量子不可克隆原理保證了 QKD 的無條件安全性，而未知量子態(tài)的不可克隆性，也使得 QKD 不能像經(jīng)典光通信那樣，通過光放大對傳輸進(jìn)行中繼，因此實際應(yīng)用中 QKD 的傳輸距離受到光纖損耗的限制。

同時，相比傳統(tǒng)協(xié)議，TF-QKD 協(xié)議具有密鑰率隨信道透過率的平方根尺度下降的優(yōu)勢，所以特別適合遠(yuǎn)距離 QKD。

據(jù)了解，此前，潘建偉團(tuán)隊已在實驗室內(nèi)實現(xiàn)超 500 公里 TF-QKD 的驗證。然而，實際場景和實驗室環(huán)境還是區(qū)別很大的，在實際場景下實現(xiàn) TF-QKD 是極其困難的：

?實驗室內(nèi)溫度、振動以及人活動引起的聲音等噪聲都可以被有效隔離，但現(xiàn)場環(huán)境中這些是不可避免的;

?由于晝夜溫度起伏引起的熱脹冷縮效應(yīng)，現(xiàn)場光纜一天的長度變化總量，比實驗室光纖高兩個數(shù)量級，相應(yīng)的長度和偏振變化速率，也比實驗室光纖快兩到三個數(shù)量級;

?現(xiàn)場光纜的損耗要高于實驗室光纖，即使對現(xiàn)場光纜的各個連接點進(jìn)行優(yōu)化，損耗依然比實驗室光纖高約 10%;

?除此之外，由于現(xiàn)場光纜每根纖芯承載著不同的業(yè)務(wù)，同一光纜中的不同光纖所傳輸?shù)男盘枙a(chǎn)生一定程度的相互串?dāng)_，這種串?dāng)_引起的噪聲，比單光子探測器的本底噪聲高兩個數(shù)量級以上。

潘建偉團(tuán)隊基于王向斌提出的 SNS-TF-QKD(“發(fā)送-不發(fā)送”雙場量子密鑰分發(fā))協(xié)議，發(fā)展時頻傳輸技術(shù)和激光注入鎖定技術(shù)，將現(xiàn)場相隔幾百公里的兩個獨立激光器的波長鎖定為相同;隨后，針對現(xiàn)場復(fù)雜的鏈路環(huán)境，開發(fā)了光纖長度及偏振變化實時補(bǔ)償系統(tǒng);此外，對于現(xiàn)場光纜中其他業(yè)務(wù)的串?dāng)_，研究團(tuán)隊精心設(shè)計了 QKD 光源的波長，并通過窄帶濾波將串?dāng)_噪聲濾除;最后結(jié)合中科院上海微系統(tǒng)所研制的高計數(shù)率低噪聲單光子探測器，在現(xiàn)場將無中繼光纖 QKD 的安全成碼距離推至 500 公里以上。

該成果分別發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》(被選為編輯推薦文章)和《自然?光子學(xué)》上，并被 APS 下屬網(wǎng)站 Physics SYNOPSIS 欄目和英國《新科學(xué)家》報道。

其成功創(chuàng)造了現(xiàn)場光纖無中繼 QKD 最遠(yuǎn)距離新的世界紀(jì)錄，在超過 500 公里的光纖成碼率打破了傳統(tǒng)無中繼 QKD 所限定的成碼率極限，即超過了理想的探測裝置(探測器效率為 100%)下的無中繼 QKD 成碼極限。

除此之外，上述的工作在實際環(huán)境中證明了 TF-QKD 的可行性，并為實現(xiàn)長距離光纖量子網(wǎng)絡(luò)鋪平了道路。

關(guān)鍵詞： 中國科大 新世界紀(jì)錄 量子密鑰 中繼光纖