中國科大量子通信領(lǐng)域重要進(jìn)展：首次在自由空間信道實現(xiàn)測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)實驗

  來自中國科大的消息顯示，近日，中國科大潘建偉及其同事彭承志、張強(qiáng)等與清華大學(xué)王向斌，中科院上海微系統(tǒng)所尤立星等人合作，首次在國際上實現(xiàn)了基于遠(yuǎn)距離自由空間信道的測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)(MDI-QKD)實驗。這項實驗成果不僅實現(xiàn)了將MDI-QKD從光纖信道拓展到自由空間信道的突破，也開啟了在自由空間信道中實現(xiàn)基于遠(yuǎn)距離量子干涉的更復(fù)雜的量子信息處理任務(wù)的可能。

  據(jù)了解，MDI-QKD協(xié)議利用雙光子干涉技術(shù)消除了探測端的所有安全漏洞，無需對測量端的量子設(shè)備進(jìn)行任何安全性假設(shè)，被認(rèn)為是各種量子密鑰分發(fā)協(xié)議中的最佳候選協(xié)議之一。該協(xié)議自2012年首次提出以來，已在光纖信道上得到快速發(fā)展，在距離更遠(yuǎn)、密鑰速率更高和網(wǎng)絡(luò)驗證等方向取得了一系列突破。

  然而，由于光纖存在固有損耗，量子信號不能像經(jīng)典通信那樣被放大;自由空間信道方面，外太空幾乎真空的環(huán)境下光信號損耗非常小，通過衛(wèi)星輔助可極大擴(kuò)展量子通信距離。

  近年來，隨著“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的成功，基于衛(wèi)星平臺和地面光纖網(wǎng)相結(jié)合的量子通信已成為構(gòu)建覆蓋全球量子通信網(wǎng)絡(luò)最為可行的手段。

  由于自由空間信道的大氣湍流破壞了空間模式，在進(jìn)行干涉測量前需要用單模光纖進(jìn)行空間濾波，由此帶來的耦合效率低下和強(qiáng)度漲落是本實驗的兩大難點(diǎn)。

  為解決耦合效率低下的問題，研究團(tuán)隊開發(fā)了一種基于隨機(jī)梯度下降算法的具有抵抗強(qiáng)湍流能力的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，使雙鏈路總信道效率提升了約4倍到10倍。并通過測量脈沖到達(dá)時間實時反饋，得到32皮秒的獨(dú)立時鐘同步精度;用新技術(shù)方案使干涉光的頻率差小于10兆赫，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)距離獨(dú)立激光器之間的鎖頻。

  基于這些技術(shù)突破，實驗團(tuán)隊利用清華大學(xué)王向斌教授的四強(qiáng)度優(yōu)化協(xié)議，最終在上海城市大氣信道中實現(xiàn)了第一個自由空間MDI-QKD實驗。兩個信道長度分別為7.7 km和11.5 km，通信雙方Alice和Bob間距離為19.2 km，該距離也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了地球大氣的等效厚度，這意味著該實驗成果也向著基于衛(wèi)星的MDI-QKD邁出堅實一步。

  除此之外，該實驗發(fā)展的相關(guān)技術(shù)為在自由空間進(jìn)行量子干涉的相關(guān)量子實驗開辟了道路，如量子中繼器、量子網(wǎng)絡(luò)，以及在大空間尺度中探索量子力學(xué)與廣義相對論融合等基本問題。

圖1 遠(yuǎn)距離自由空間MDI-QKD實驗裝置圖

  該工作的共同第一作者為曹原副研究員、博士后李宇懷和博士研究生楊奎星。上述研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院、上海市和安徽省的支持。