中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)與合作者利用中科院上海微系統(tǒng)所尤立星小組研制的超導(dǎo)探測器，基于“濟(jì)青干線”現(xiàn)場光纜，突破現(xiàn)場遠(yuǎn)距離高性能單光子干涉技術(shù)，采用兩種技術(shù)方案分別實(shí)現(xiàn)428公里和511公里的雙場量子密鑰分發(fā)，創(chuàng)造世界現(xiàn)場光纖量子保密通信新紀(jì)錄。相關(guān)研究成果日前分別發(fā)表于《物理評論快報(bào)》和《自然—光子學(xué)》。
量子不可克隆原理保證了量子密鑰分發(fā)的無條件安全性，但量子密鑰分發(fā)不能像經(jīng)典光通信那樣通過光放大對傳輸進(jìn)行中繼，因此分發(fā)距離受到光纖損耗的限制。
相比傳統(tǒng)協(xié)議，雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議特別適合遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)。此前，潘建偉團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過500公里雙場量子密鑰分發(fā)的驗(yàn)證。然而，在實(shí)際場景的苛刻環(huán)境下實(shí)現(xiàn)雙場量子密鑰分發(fā)極其困難。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，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，但這些在現(xiàn)場環(huán)境中不可避免。
基于“發(fā)送—不發(fā)送”雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議，潘建偉團(tuán)隊(duì)發(fā)展了時(shí)頻傳輸技術(shù)和激光注入鎖定技術(shù)，將現(xiàn)場相隔幾百公里的兩個(gè)獨(dú)立激光器的波長鎖定為相同。再針對現(xiàn)場復(fù)雜的鏈路環(huán)境，開發(fā)了光纖長度及偏振變化實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)。對于現(xiàn)場光纜中其他業(yè)務(wù)的串?dāng)_，精心設(shè)計(jì)了量子密鑰分發(fā)光源的波長，并通過窄帶濾波將串?dāng)_噪聲濾除。最后結(jié)合高計(jì)數(shù)率低噪聲單光子探測器，在現(xiàn)場將無中繼光纖量子密鑰分發(fā)的安全成碼距離推至500公里以上。
這項(xiàng)研究成果成功創(chuàng)造了現(xiàn)場光纖無中繼量子密鑰分發(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，在實(shí)際環(huán)境中證明了雙場量子密鑰分發(fā)的可行性，并為實(shí)現(xiàn)長距離光纖量子網(wǎng)絡(luò)鋪平了道路。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.250502
https://doi.org/10.1038/s41566-021-00828-5
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