潘建伟团队创纪录实现500公里现场无中继光纤量子密钥分发

根据中国科技大学官网6月23日消息，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，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量子密钥分发（QKD）最远的传输距离，在实际环境中证明了TF-QKD的可行性，并为实现长距离光纤量子网络铺平了道路。

研究团队利用了中科院上海微系统所尤立星小组研制的超导探测器，“济青干线”现场光缆，突破了现场远距离高性能单光子干涉技术。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》（6月22日刊登，并被选为编辑推荐文章）和《自然·光子学》（6月21日刊登）上。

量子具有“量子不可克隆定理”，就是说无法做到复制一个量子态而对被复制的量子态不产生影响。而任何未授权方企图窃取密钥的探测都可以看作是一种“克隆”，这就会带来额外的误码，这些误码会在授权用户的后处理过程中被发现。因此，量子能够保证信息安全。

基于“量子不可克隆定理”，第一个QKD协议BB84被提出，BB84协议利用非正交状态编码一个随机密钥在两个授权用户之间进行分配。此后，QKD得到广泛研究，并已发展成为当今实际应用中的成熟技术。不过，量子的不可克隆性也使得QKD不能像经典光通信那样可以通过光放大对传输进行中继，因此QKD的传输距离会受到光纤损耗限制。到目前为止，QKD最长的现场测试约为90公里。

相比传统协议，TF-QKD协议具有密钥率随信道透过率的平方根尺度下降的优势，因此特别适合远距离QKD。

此前，潘建伟团队已经在实验室内实现超过500公里TF-QKD的验证。不过，这些实验都是在实验室中进行的，现场环境要比实验室苛刻得多。要在现场环境实现TF-QKD极其困难。

实验室中，温度、振动以及人活动引起的声音等噪声都可以被有效隔离，但在现场环境中不可避免；由于昼夜温度变化会引起热胀冷缩，现场光缆长度在一天的变化总量比实验室高两个数量级，相应的长度和偏振变化速率，也比实验室光纤快两到三个数量级；现场光缆的损耗也高于实验室光纤，即使对现场光缆的各个连接点进行优化，损耗依然比实验室光纤高约10%；此外，现场同一光缆中的不同光纤所传输的信号会产生一定程度的相互串扰，这种串扰引起的噪声，比单光子探测器的本底噪声高两个数量级以上。

现场实验的部署

潘建伟团队基于王向斌提出的SNS-TF-QKD（“发送-不发送”双场量子密钥分发）协议，发展时频传输技术和激光注入锁定技术，将现场相隔几百公里的两个独立激光器的波长锁定为相同；再针对现场复杂的链路环境，开发了光纤长度及偏振变化实时补偿系统；此外，对于现场光缆中其他业务的串扰，精心设计了QKD光源的波长，并通过窄带滤波将串扰噪声滤除；最后结合中科院上海微系统所研制的高计数率低噪声单光子探测器，在现场将无中继光纤QKD的安全成码距离推至500公里以上。

上述研究成果成功创造了现场光纤无中继QKD最远距离新的世界纪录，在超过500公里的光纤成码率打破了传统无中继QKD所限定的成码率极限，即超过了理想的探测装置（探测器效率为100%）下的无中继QKD成码极限。

该工作得到了科技部、自然科学基金委、中科院、山东省和安徽省等的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.250502

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