新世界紀錄！潘建偉團隊成功實現500公里量級現場無中繼光纖量子密鑰分發

近日，中國科學技術大學教授潘建偉及其同事張強、陳騰雲與濟南量子技術研究院王向斌、劉洋等合作，利用中科院上海微系統所尤立星小組研製的超導探測器，基於“濟青幹線”現場光纜，突破現場遠距離高性能單光子干涉技術，分別採用激光注入鎖定實現了428公里雙場量子密鑰分發（TF-QKD），同時利用時頻傳遞技術實現了511公里TF-QKD，是目前現場無中繼光纖QKD最遠的傳輸距離。

相關研究成果分別發表於國際著名學術期刊《物理評論快報》和《自然·光子學》上，並被APS下屬網站Physics SYNOPSIS欄目和英國《新科學家》報道。

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

相比傳統協議，TF-QKD協議具有密鑰率隨信道透過率的平方根尺度下降的優勢，所以特別適合遠距離QKD。此前，潘建偉團隊已經在實驗室內實現超過500公里TF-QKD的驗證，然而，在實際場景的苛刻環境下實現TF-QKD是極其困難的。

實驗室內溫度、振動以及人活動引起的聲音等噪聲都可以被有效隔離，但現場環境中這些是不可避免的。由於晝夜溫度起伏引起的熱脹冷縮效應，現場光纜一天的長度變化總量，比實驗室光纖高兩個數量級，相應的長度和偏振變化速率，也比實驗室光纖快兩到三個數量級；並且現場光纜的損耗要高於實驗室光纖，即使對現場光纜的各個連接點進行優化，損耗依然比實驗室光纖高約10%；此外，由於現場光纜每根纖芯承載着不同的業務，同一光纜中的不同光纖所傳輸的信號會產生一定程度的相互串擾，這種串擾引起的噪聲，比單光子探測器的本底噪聲高兩個數量級以上。

潘建偉團隊基於王向斌提出的SNS-TF-QKD（“發送-不發送”雙場量子密鑰分發）協議，發展時頻傳輸技術和激光注入鎖定技術，將現場相隔幾百公里的兩個獨立激光器的波長鎖定爲相同；再針對現場複雜的鏈路環境，開發了光纖長度及偏振變化實時補償系統；此外，對於現場光纜中其他業務的串擾，精心設計了QKD光源的波長，並通過窄帶濾波將串擾噪聲濾除；最後結合中科院上海微系統所研製的高計數率低噪聲單光子探測器，在現場將無中繼光纖QKD的安全成碼距離推至500公里以上。

上述研究成果成功創造了現場光纖無中繼QKD最遠距離新的世界紀錄，在超過500公里的光纖成碼率打破了傳統無中繼QKD所限定的成碼率極限，即超過了理想的探測裝置（探測器效率爲100%）下的無中繼QKD成碼極限。上述的工作在實際環境中證明了TF-QKD的可行性，併爲實現長距離光纖量子網絡鋪平了道路。

該工作得到了科技部、自然科學基金委、中科院、山東省和安徽省等的資助。

作者：許琦敏

責任編輯：任荃

圖片來源：中科大提供

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