中国科大成功实现500公里量级现场无中继光纤量子密钥分发

2021年06月23日

中国科大成功实现500公里量级现场无中继光纤量子密钥分发 创下现场光纤量子保密通信新的世界纪录

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。

量子不可克隆原理保证了QKD的无条件安全性，而未知量子态的不可克隆性，也使得QKD不能像经典光通信那样，通过光放大对传输进行中继，因此实际应用中QKD的传输距离受到光纤损耗的限制。

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，所以特别适合远距离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，然而，在实际场景的苛刻环境下实现TF-QKD是极其困难的。实验室内温度、振动以及人活动引起的声音等噪声都可以被有效隔离，但现场环境中这些是不可避免的。由于昼夜温度起伏引起的热胀冷缩效应，现场光缆一天的长度变化总量，比实验室光纤高两个数量级，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；并且现场光缆的损耗要高于实验室光纤，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，由于现场光缆每根纤芯承载着不同的业务，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。

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。上述的工作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。

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      

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、物理学院、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）