近日，中國科學技術大學的潘建偉、張強、陳騰云等與清華大學的王向斌、馬雄峰合作，突破遠距離獨立激光相位干涉技術，分別實現(xiàn)了500公里量級真實環(huán)境光纖的雙場量子密鑰分發(fā)和相位匹配量子密鑰分發(fā)。相關研究成果于近期分別發(fā)表在國際權威學術期刊《物理評論快報》(并被選為“編輯推薦”文章)和《自然·光子學》上。
在量子密鑰分發(fā)的長距離實際應用中，信道損耗是最嚴重的限制因素?，F(xiàn)有的測量設備無關量子密鑰分發(fā)采用雙光子復合事件作為有效探測事件，使其安全成碼率隨信道衰減線性下降，在無量子中繼的情形下，安全成碼率受線性界限的約束，而雙場量子密鑰分發(fā)利用單光子干涉作為有效探測事件，使安全成碼率隨信道衰減的平方根線性下降，甚至可以在無中繼的情形下輕松突破量子密鑰分發(fā)成碼率線性界限。
然而，雙場量子密鑰分發(fā)實施的技術要求相當苛刻，因為它要求兩個遠程獨立激光器的單光子級干涉，同時需要通過單光子探測結果實現(xiàn)長距離光纖鏈路相對相位快速漂移的精準估計。此外雙場量子密鑰分發(fā)需要同時滿足高計數(shù)率、高效率及超低暗計數(shù)的單光子探測器。在相關的這兩項研究中，潘建偉實驗小組分別基于王向斌提出的“發(fā)送-不發(fā)送”的雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議和馬雄峰提出的相位匹配量子密鑰分發(fā)協(xié)議，發(fā)展時頻傳輸技術和激光注入鎖定技術，將兩個獨立的遠程激光器的波長鎖定為相同，并利用附加相位參考光來估計光纖的相對相位快速漂移。結合中科院上海微系統(tǒng)所研制的高計數(shù)率低噪聲單光子探測器，最終在實驗室內(nèi)將量子密鑰分發(fā)的安全成碼距離推至500公里以上。
該研究成果成功創(chuàng)造了地基量子密鑰分發(fā)最遠距離新的世界紀錄，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，即超過了理想的探測裝置(探測器效率為100%)下的無中繼量子密鑰分發(fā)成碼極限。如果將系統(tǒng)重復頻率升級至京滬干線等遠距離量子通信網(wǎng)絡中采用的1GHz，在300公里處，成碼率可達5kbps，這將大量減少骨干光纖量子通信網(wǎng)絡中的可信中繼數(shù)量，大幅提升光纖量子保密通信網(wǎng)絡的安全性。
關鍵詞： 地基量子密鑰
