中國成功實現(xiàn)500公里地基量子密鑰分發(fā)

常河

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉、張強、陳騰云等與清華大學(xué)的王向斌、馬雄峰合作，突破遠(yuǎn)距離獨立激光相位干涉技術(shù)，分別實現(xiàn)了500公里量級真實環(huán)境光纖的雙場量子密鑰分發(fā)和相位匹配量子密鑰分發(fā)。相關(guān)研究成果于近期分別發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》（并被選為“編輯推薦”文章）和《自然·光子學(xué)》上。

在量子密鑰分發(fā)的長距離實際應(yīng)用中，信道損耗是最嚴(yán)重的限制因素。現(xiàn)有的測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)采用雙光子復(fù)合事件作為有效探測事件，使其安全成碼率隨信道衰減線性下降，在無量子中繼的情形下，安全成碼率受線性界限的約束，而雙場量子密鑰分發(fā)利用單光子干涉作為有效探測事件，使安全成碼率隨信道衰減的平方根線性下降，甚至可以在無中繼的情形下輕松突破量子密鑰分發(fā)成碼率線性界限。

然而，雙場量子密鑰分發(fā)實施的技術(shù)要求相當(dāng)苛刻，因為它要求兩個遠(yuǎn)程獨立激光器的單光子級干涉，同時需要通過單光子探測結(jié)果實現(xiàn)長距離光纖鏈路相對相位快速漂移的精準(zhǔn)估計。此外雙場量子密鑰分發(fā)需要同時滿足高計數(shù)率、高效率及超低暗計數(shù)的單光子探測器。在相關(guān)的這兩項研究中，潘建偉實驗小組分別基于王向斌提出的“發(fā)送-不發(fā)送”的雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議和馬雄峰提出的相位匹配量子密鑰分發(fā)協(xié)議，發(fā)展時頻傳輸技術(shù)和激光注入鎖定技術(shù)，將兩個獨立的遠(yuǎn)程激光器的波長鎖定為相同，并利用附加相位參考光來估計光纖的相對相位快速漂移。結(jié)合中科院上海微系統(tǒng)所研制的高計數(shù)率低噪聲單光子探測器，最終在實驗室內(nèi)將量子密鑰分發(fā)的安全成碼距離推至500公里以上。

該研究成果成功創(chuàng)造了地基量子密鑰分發(fā)最遠(yuǎn)距離新的世界紀(jì)錄，在超過500公里的光纖成碼率打破了傳統(tǒng)無中繼量子密鑰分發(fā)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%）下的無中繼量子密鑰分發(fā)成碼極限。如果將系統(tǒng)重復(fù)頻率升級至京滬干線等遠(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。