我國完整實現300公里雙場量子密鑰分發

據中國科學技術大學網站消息，近日，中國科學技術大學教授潘建偉及其同事張強、劉洋與清華大學王向斌、中科院上海微系統所尤立星等人合作，在發展快速高穩定性激光頻率鎖定技術與高計數率低噪聲單光子探測器的基礎上，在300公里真實環境的光纖中實現了雙場量子密鑰分發實驗。相關研究成果於9月5日（北京時間）在線發表在國際權威學術期刊《物理評論快報》雜誌上（Phys. Rev. Lett. 123, 100505 (2019)）。這項成果不僅完整實現了300公里的雙場量子密鑰分發，也驗證了700公里以上光纖遠距離量子密鑰分發的可行性，有望成為新一代遠距離城際量子密鑰分發的基礎。

“發送-不發送”雙場QKD示意圖

量子密鑰分發（QKD）可以在用户間進行非常高安全性的密鑰分發，進而實現最高安全性的保密通信，具有非常重要的理論和現實意義。但是限於通信光纖的損耗和探測器的噪聲等原因，量子密鑰分發系統通常只能在100公里內獲得較高成碼率。目前安全性最高的測量設備無關的量子密鑰分發系統，最遠成碼距離是潘建偉團隊於2016年實驗實現的404公里。最近，英國東芝公司的科學家提出了一種新型的量子密鑰分發方案：雙場量子密鑰分發（Twin-Field QKD）方案，巧妙地利用單光子干涉的特性，將成碼率與距離的關係從一般量子密鑰分發的線性關係提升至平方根的水平，因此可以獲得遠超過一般量子密鑰分發方案的成碼距離，並且理論上可以獲得遠高於一般量子密鑰分發方案的成碼率，為遠距離、高性能量子密鑰分發提供了新的方向。

然而，實驗實現雙場量子密鑰分發方案的條件極其苛刻。該方案利用單光子干涉，為了保證干涉的穩定性，需要通信雙方獨立光源的波長差不能高於10 kHz的水平（比光子本身的頻率低10個量級），並且在經過百公里以上的傳輸後需要控制光纖引起的相位差不高於0.3弧度（需要遠小於光子波長）。

本研究中，王向斌教授提出了基於“發送-不發送”的雙場量子密鑰分發方案，大大提高了對相位噪聲的容忍能力並嚴格證明了安全性；潘建偉、張強實驗小組發展了高速高穩定性的相位鎖定技術、高性能調製與鏈路相位估計方案，利用中科院上海微系統所研製的低噪聲超導納米線單光子探測器，實現了雙場量子密鑰分發方案的實驗驗證。本研究在現實環境下相位劇烈變化的300公里光纖信道上，實現了雙場量子密鑰分發，在考慮統計漲落及有限長度分析等重要理論要求後，在300公里處，密鑰生成率達到2016年實驗的50倍，並打破了一般無中繼量子密鑰分發方案的最高成碼率理論極限。同現有已發表的雙場QKD實驗相比，本研究是唯一的考慮了有限碼長效應的實驗。此外，聯合團隊也分析了在提高探測器性能等條件下，該方案可以進行超過700公里的遠距離量子密鑰分發。

本工作驗證了遠距離雙場量子密鑰分發方案的可行性，證明該方案具有遠距離、高成碼率等性能，非常適合在城際量子密鑰分發主幹鏈路使用。該工作被《物理評論快報》審稿人評論為“實用雙場量子密鑰分發的重要里程碑”，被《物理評論快報》選為“編輯推薦”論文，並被美國物理學會的Physics雜誌進行了專題亮點報道。

上述研究得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、教育部、中國科學院、安徽省和濟南市的支持。