科學(xué)家創(chuàng)造出500公里量級現(xiàn)場無中繼光纖量子密鑰分發(fā)新紀(jì)錄
發(fā)布時間：2021-06-28 12:00
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、濟(jì)南量子技術(shù)研究院和中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所合作，基于“濟(jì)青干線”現(xiàn)場光纜，解決了現(xiàn)場遠(yuǎn)距離高性能單光子干涉技術(shù)難題，分別采用激光注入鎖定實(shí)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(shí)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。相關(guān)研究成果分別發(fā)表在《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。
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(shí)際應(yīng)用中QKD的傳輸距離受到光纖損耗的限制。
相比于傳統(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，因此適合遠(yuǎn)距離QKD。此前，中國科大潘建偉團(tuán)隊(duì)已在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過500公里TF-QKD的驗(yàn)證，然而，在實(shí)際場景的苛刻環(huán)境下實(shí)現(xiàn)TF-QKD極其困難。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度、振動以及人活動引起的聲音等噪聲都能夠被有效隔離，但這些在現(xiàn)場環(huán)境中是不可避免的。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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室光纖快兩到三個數(shù)量級；現(xiàn)場光纜的損耗高于實(shí)驗(yàn)室光纖，即使對現(xiàn)場光纜的各個連接點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，損耗仍比實(shí)驗(yàn)室光纖高約10%。此外，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(duì)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)展了時頻傳輸技術(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(dú)立激光器的波長鎖定為相同；再針對現(xiàn)場復(fù)雜的鏈路環(huán)境，開發(fā)出光纖長度及偏振變化實(shí)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)_，精心設(shè)計(jì)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)合上海微系統(tǒng)所尤立星團(tuán)隊(duì)研制的高計(jì)數(shù)率低噪聲超導(dǎo)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。
現(xiàn)場TF-QKD圖
上述研究成果成功創(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公里的光纖成碼率超過了傳統(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。該研究在實(shí)際環(huán)境中證明了TF-QKD的可行性，并為實(shí)現(xiàn)長距離光纖量子網(wǎng)絡(luò)鋪平了道路。研究工作獲得科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委、中科院、山東省和安徽省等的資助?！?/p>
（文章來源：中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所）