509公里！我科學(xué)家創(chuàng)造光纖量子通信新紀(jì)錄

  ICCSZ訊 3日，記者從濟(jì)南量子技術(shù)研究院獲悉，繼首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了遠(yuǎn)距離雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)可行性，在300公里真實(shí)環(huán)境的光纖中實(shí)現(xiàn)了雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)后，濟(jì)南量子技術(shù)研究院王向斌教授、劉洋研究員與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)再次合作，實(shí)現(xiàn)了509公里真實(shí)環(huán)境光纖的雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)（TF-QKD）。相關(guān)成果已于近日在線發(fā)表在國(guó)際期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上，王向斌教授和張強(qiáng)教授為論文共同通訊作者。該成果成功創(chuàng)造了量子密鑰分發(fā)最遠(yuǎn)傳輸距離新的世界紀(jì)錄。

  在量子密鑰分發(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。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。然而，TF-QKD的實(shí)施條件相當(dāng)苛刻，要求兩個(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)。

  該成果理論方面基于王向斌提出的“發(fā)送—不發(fā)送”雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議，大幅提高了系統(tǒng)對(duì)相位噪聲的容忍能力；實(shí)驗(yàn)方面張強(qiáng)團(tuán)隊(duì)采用了時(shí)頻傳輸技術(shù)，將兩個(gè)獨(dú)立遠(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，確保了測(cè)量器件無(wú)關(guān)的安全屬性。最終在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將QKD安全成碼距離成功拓展至509公里，打破了傳統(tǒng)無(wú)中繼QKD所限定的絕對(duì)理論成碼率極限。同時(shí)，與其他雙場(chǎng)QKD實(shí)驗(yàn)相比，該研究在安全性上擁有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：既是測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的，又充分考慮了有限碼長(zhǎng)下的安全性。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，在300公里處，成碼率可達(dá)5kbps，這將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。