中國科學技術大學潘建偉和張強等與清華大學王向斌、濟南量子技術研究院劉洋、中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所尤立星與張偉君等合作，通過發(fā)展低串擾相位參考信號控制、極低噪聲單光子探測器等技術，實現(xiàn)了光纖中1002公里點對點遠距離量子密鑰分發(fā)，不僅創(chuàng)下了光纖無中繼量子密鑰分發(fā)距離的世界紀錄，而且提供了城際量子通信高速率主干鏈路的方案。5月25日，相關研究成果發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letter）上。

量子密鑰分發(fā)（QKD）基于量子力學基本原理，可以在用戶間進行安全的密鑰分發(fā)，結合“一次一密”的加密方式，進而可實現(xiàn)最高安全性的保密通信。然而，量子密鑰分發(fā)的距離一直受到通信光纖的固有損耗和探測器噪聲等因素的限制。雙場量子密鑰分發(fā)（TF-QKD）協(xié)議利用單光子干涉的特性，將成碼率與距離的關系從一般量子密鑰分發(fā)的線性關系提升至平方根的水平，因此可以獲得遠超過一般量子密鑰分發(fā)方案的成碼距離。

本研究中，科研團隊采用了清華大學王向斌等提出的“發(fā)送-不發(fā)送”雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議。該協(xié)議可以在現(xiàn)實條件下可以有效的提升量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)工作距離。為了進行極遠距離的量子密鑰分發(fā)，該團隊與合作單位，采用基于“純二氧化硅纖芯”技術的超低損光纖，實現(xiàn)了低于0.16 dB/km的量子信道光纖鏈路。上海微系統(tǒng)所發(fā)展了極低噪聲超導單光子探測器，通過在40 K和2.2 K溫區(qū)進行多級濾波抑制熱輻射引起的暗計數(shù)，將單光子探測器的噪聲降低至0.02 cps。該團隊還發(fā)展了時分復用的雙波長相位估計方案，避免了同波長參考光二次瑞利散射、不同波長參考光自發(fā)拉曼散射等噪聲影響，將鏈路噪聲降低至0.01 Hz以下。

在上述技術發(fā)展的基礎上，該工作實現(xiàn)了最遠達1002 km的雙場量子密鑰分發(fā)，獲得0.0034 bps成碼率。該團隊對系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化后，在202 km光纖距離下獲得47.06 kbps成碼率，并在300 km和400 km光纖距離下，獲得的成碼率相較原始“測量器件無關”量子密鑰分發(fā)提高了6個數(shù)量級。該工作驗證了極遠距離下雙場量子密鑰分發(fā)方案的可行性，并驗證了在城際光纖距離下，采用該協(xié)議可以實現(xiàn)高成碼率的量子密鑰分發(fā)，適合城際量子通信主干鏈路使用。上述成果得到了審稿人的高度評價。

研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委員會、中國科學院、山東省、安徽省和上海市等的支持。

論文鏈接

圖1.遠距離量子密鑰分發(fā)實驗系統(tǒng)原理圖

圖2.遠距離量子密鑰分發(fā)實驗成碼率結果圖