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发布时间:2021-06-23     来源于:上海研究院

近日,中国科学技术大学教授潘建伟及其同事张强、陈腾云与济南量子技术研究院王向斌、刘洋等合作,利用中科院上海微系统所尤立星小组研制的超导探测器,基于“济青干线”现场光缆,突破现场远距离高性能单光子干涉技术,分别采用激光注入锁定实现了428公里双场量子密钥分发(TF-QKD),同时利用时频传递技术实现了511公里TF-QKD,是目前现场无中继光纤QKD最远的传输距离。相关研究成果分别发表于国际著名学术期刊《物理评论快报》(被选为编辑推荐文章)和《自然·光子学》上,并被APS下属网站Physics SYNOPSIS栏目和英国《新科学家》报道。

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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公裏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。由于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于實驗室光纖,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,由于現場光纜每根纖芯承載著不同的業務,同一光纜中的不同光纖所傳輸的信號會産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。

潘建偉團隊基于王向斌提出的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,將現場相隔幾百公裏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,對于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制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公裏以上。

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公裏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,並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。

論文鏈接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.250502

https://www.nature.com/articles/s41566-021-00828-5