509公里：中國(guó)創(chuàng)造地基量子密鑰分發(fā)新紀(jì)錄

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、張強(qiáng)、陳騰云等與清華大學(xué)王向斌、馬雄峰合作，突破遠(yuǎn)距離獨(dú)立激光相位干涉技術(shù)，分別實(shí)現(xiàn)了500公里量級(jí)真實(shí)環(huán)境光纖的雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)(TF-QKD)、相位匹配量子密鑰分發(fā)(PM-QKD)。

相關(guān)研究成果已經(jīng)分別于近期發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》、《自然·光子學(xué)》上，并被前者選為“編輯推薦”文章。

據(jù)介紹，在量子秘鑰分發(fā)(QKD)的長(zhǎng)距離實(shí)際應(yīng)用中，信道損耗是最嚴(yán)重的限制因素?，F(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)(MDI-QKD)采用雙光子復(fù)合事件作為有效探測(cè)事件，安全成碼率隨信道衰減線性下降，在無(wú)量子中繼的情形下，安全成碼率受線性界限的約束。

TF-QKD利用單光子干涉作為有效探測(cè)事件，使安全成碼率隨信道衰減的平方根線性下降，甚至可以在無(wú)中繼的情形下輕松突破QKD成碼率線性界限。

但是，TF-QKD對(duì)技術(shù)要求相當(dāng)苛刻，因?yàn)樗枰獌蓚€(gè)遠(yuǎn)程獨(dú)立激光器的單光子級(jí)干涉，同時(shí)需要通過(guò)單光子探測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離光纖鏈路相對(duì)相位快速漂移的精準(zhǔn)估計(jì)，并且需要同時(shí)滿足高計(jì)數(shù)率、高效率及超低暗計(jì)數(shù)的單光子探測(cè)器。

在最新研究中，潘建偉實(shí)驗(yàn)小組分別基于王向斌提出的“發(fā)送-不發(fā)送”的TF-QKD協(xié)議和馬雄峰提出的PM-QKD協(xié)議，發(fā)展時(shí)頻傳輸技術(shù)和激光注入鎖定技術(shù)，將兩個(gè)獨(dú)立的遠(yuǎn)程激光器的波長(zhǎng)鎖定為相同，并利用附加相位參考光來(lái)估計(jì)光纖的相對(duì)相位快速漂移。

結(jié)合中科院上海微系統(tǒng)所研制的高計(jì)數(shù)率低噪聲單光子探測(cè)器，最終在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將QKD的安全成碼距離推至509公里。

這創(chuàng)造了量子密鑰分發(fā)最遠(yuǎn)距離新的世界紀(jì)錄，在超過(guò)500公里的光纖成碼率打破了傳統(tǒng)無(wú)中繼QKD所限定的成碼率極限，即超過(guò)了理想的探測(cè)裝置(探測(cè)器效率為100%)下的無(wú)中繼QKD成碼極限。

如果將系統(tǒng)重復(fù)頻率升級(jí)至京滬干線等遠(yuǎn)距離量子通信網(wǎng)絡(luò)中采用的1GHz，300公里處成碼率可達(dá)5Kbps，可大量減少骨干光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)中的可信中繼數(shù)量，大幅提升光纖量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的安全性。