我國(guó)科學(xué)家創(chuàng)造現(xiàn)場(chǎng)光纖量子通信新世界紀(jì)錄

  ICC訊 在量子通信領(lǐng)域，我國(guó)科學(xué)家最近又創(chuàng)造了新紀(jì)錄了，成功突破現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)距離高性能單光子干涉技術(shù)，最高實(shí)現(xiàn)了511公里的無中繼光纖QKD的傳輸距離，刷新了現(xiàn)場(chǎng)光纖量子通信新世界紀(jì)錄。

  據(jù)中科大官網(wǎng)消息，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事張強(qiáng)、陳騰云與濟(jì)南量子技術(shù)研究院王向斌、劉洋等合作，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(cè)器，基于“濟(jì)青干線”現(xiàn)場(chǎng)光纜，突破現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)距離高性能單光子干涉技術(shù)，分別采用激光注入鎖定實(shí)現(xiàn)了428公里雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)(TF-QKD)，同時(shí)利用時(shí)頻傳遞技術(shù)實(shí)現(xiàn)了511公里TF-QKD，是目前現(xiàn)場(chǎng)無中繼光纖QKD最遠(yuǎn)的傳輸距離。

  相關(guān)研究成果分別發(fā)表于國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》(被選為編輯推薦文章)和《自然·光子學(xué)》上，并被APS下屬網(wǎng)站PhysicsSYNOPSIS欄目和英國(guó)《新科學(xué)家》報(bào)道。

  量子不可克隆原理保證了QKD的無條件安全性，而未知量子態(tài)的不可克隆性，也使得QKD不能像經(jīng)典光通信那樣，通過光放大對(duì)傳輸進(jìn)行中繼，因此實(shí)際應(yīng)用中QKD的傳輸距離受到光纖損耗的限制。

  相比傳統(tǒng)協(xié)議，TF-QKD協(xié)議具有密鑰率隨信道透過率的平方根尺度下降的優(yōu)勢(shì)，所以特別適合遠(yuǎn)距離QKD。

  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TF-QKD的驗(yàn)證，然而，在實(shí)際場(chǎng)景的苛刻環(huán)境下實(shí)現(xiàn)TF-QKD是極其困難的。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度、振動(dòng)以及人活動(dòng)引起的聲音等噪聲都可以被有效隔離，但現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中這些是不可避免的。

  由于晝夜溫度起伏引起的熱脹冷縮效應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)光纜一天的長(zhǎng)度變化總量，比實(shí)驗(yàn)室光纖高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，相應(yīng)的長(zhǎng)度和偏振變化速率，也比實(shí)驗(yàn)室光纖快兩到三個(gè)數(shù)量級(jí);并且現(xiàn)場(chǎng)光纜的損耗要高于實(shí)驗(yàn)室光纖，即使對(duì)現(xiàn)場(chǎng)光纜的各個(gè)連接點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，損耗依然比實(shí)驗(yàn)室光纖高約10%;

  此外，由于現(xiàn)場(chǎng)光纜每根纖芯承載著不同的業(yè)務(wù)，同一光纜中的不同光纖所傳輸?shù)男盘?hào)會(huì)產(chǎn)生一定程度的相互串?dāng)_，這種串?dāng)_引起的噪聲，比單光子探測(cè)器的本底噪聲高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

  潘建偉團(tuán)隊(duì)基于王向斌提出的SNS-TF-QKD(“發(fā)送-不發(fā)送”雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā))協(xié)議，發(fā)展時(shí)頻傳輸技術(shù)和激光注入鎖定技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)相隔幾百公里的兩個(gè)獨(dú)立激光器的波長(zhǎng)鎖定為相同;再針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的鏈路環(huán)境，開發(fā)了光纖長(zhǎng)度及偏振變化實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng);

  此外，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)光纜中其他業(yè)務(wù)的串?dāng)_，精心設(shè)計(jì)了QKD光源的波長(zhǎng)，并通過窄帶濾波將串?dāng)_噪聲濾除;最后結(jié)合中科院上海微系統(tǒng)所研制的高計(jì)數(shù)率低噪聲單光子探測(cè)器，在現(xiàn)場(chǎng)將無中繼光纖QKD的安全成碼距離推至500公里以上。

  上述研究成果成功創(chuàng)造了現(xiàn)場(chǎng)光纖無中繼QKD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QKD所限定的成碼率極限，即超過了理想的探測(cè)裝置(探測(cè)器效率為100%)下的無中繼QKD成碼極限。

  上述的工作在實(shí)際環(huán)境中證明了TF-QKD的可行性，并為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離光纖量子網(wǎng)絡(luò)鋪平了道路。

  該工作得到了科技部、自然科學(xué)基金委、中科院、山東省和安徽省等的資助。