我國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)千公里無(wú)中繼光纖量子密鑰分發(fā)
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、張強(qiáng)等與清華大學(xué)王向斌、濟(jì)南量子技術(shù)研究院劉洋、中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所尤立星、張偉君等合作，通過(guò)發(fā)展低串?dāng)_相位參考信號(hào)控制、極低噪聲單光子探測(cè)器等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光纖中1002公里點(diǎn)對(duì)點(diǎn)遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)，不僅創(chuàng)下了光纖無(wú)中繼量子密鑰分發(fā)距離的世界紀(jì)錄，也提供了城際量子通信高速率主干鏈路的方案。相關(guān)研究成果于5月25日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）雜志。 .sZ"|j9m
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量子密鑰分發(fā)（QKD）基于量子力學(xué)基本原理，可以在用戶間進(jìn)行安全的密鑰分發(fā)，結(jié)合“一次一密”的加密方式，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)最高安全性的保密通信。然而，量子密鑰分發(fā)的距離一直受到通信光纖的固有損耗和探測(cè)器噪聲等因素的限制。雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)（TF-QKD）協(xié)議利用單光子干涉的特性，將成碼率與距離的關(guān)系從一般量子密鑰分發(fā)的線性關(guān)系提升至平方根的水平，因此可以獲得遠(yuǎn)超過(guò)一般量子密鑰分發(fā)方案的成碼距離。 Z>.( '
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在這項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)采用了王向斌等提出的“發(fā)送-不發(fā)送”雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議，該協(xié)議在現(xiàn)實(shí)條件下可以有效地提升量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)工作距離。為了進(jìn)行極遠(yuǎn)距離的量子密鑰分發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)與長(zhǎng)飛光纖光纜股份有限公司合作，采用基于“純二氧化硅纖芯”技術(shù)的超低損光纖，實(shí)現(xiàn)低于0.16 dB/km的量子信道光纖鏈路。中科院上海微系統(tǒng)所發(fā)展了極低噪聲超導(dǎo)單光子探測(cè)器，通過(guò)在40 K和2.2K溫區(qū)進(jìn)行多級(jí)濾波抑制熱輻射引起的暗計(jì)數(shù)，將單光子探測(cè)器的噪聲降低至0.02 cps。研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)展了時(shí)分復(fù)用的雙波長(zhǎng)相位估計(jì)方案，避免了同波長(zhǎng)參考光二次瑞利散射、不同波長(zhǎng)參考光自發(fā)拉曼散射等噪聲影響，將鏈路噪聲降低至0.01 Hz以下。 h\|T(597.
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圖1.遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖 $F@ ,, *
在上述技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，該工作實(shí)現(xiàn)了最遠(yuǎn)達(dá)1002 km的雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)，獲得0.0034 bps成碼率。對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，在202 km光纖距離下獲得47.06 kbps成碼率，并且在300km和400 km光纖距離下，獲得的成碼率相較原始“測(cè)量器件無(wú)關(guān)”量子密鑰分發(fā)提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)。該工作不僅驗(yàn)證了極遠(yuǎn)距離下雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)方案的可行性，也驗(yàn)證了在城際光纖距離下，采用該協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)高成碼率的量子密鑰分發(fā)，適合城際量子通信主干鏈路使用。該工作得到了審稿人的高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為這項(xiàng)工作是“該領(lǐng)域極其重要的進(jìn)展，量子密鑰分發(fā)技術(shù)新的里程碑 (a significant advance for the field and a new landmark for QKD technology) ”。 AZ.
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圖2.遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)成碼率結(jié)果圖 FD8d-G
本研究工作得到了科技部、自然科學(xué)基金委、中科院、山東省、安徽省和上海市等的資助。 R E9 `T
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論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.210801
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