中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉和張強等與清華大學(xué)王向斌、濟南量子技術(shù)研究院劉洋、中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所尤立星與張偉君等合作，通過(guò)發(fā)展低串擾相位參考信號控制、極低噪聲單光子探測器等技術(shù)，實(shí)現了光纖中1002公里點(diǎn)對點(diǎn)遠距離量子密鑰分發(fā)，不僅創(chuàng )下了光纖無(wú)中繼量子密鑰分發(fā)距離的世界紀錄，而且提供了城際量子通信高速率主干鏈路的方案。5月25日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letter）上。
量子密鑰分發(fā)（QKD）基于量子力學(xué)基本原理，可以在用戶(hù)間進(jìn)行安全的密鑰分發(fā)，結合“一次一密”的加密方式，進(jìn)而可實(shí)現最高安全性的保密通信。然而，量子密鑰分發(fā)的距離一直受到通信光纖的固有損耗和探測器噪聲等因素的限制。雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)（TF-QKD）協(xié)議利用單光子干涉的特性，將成碼率與距離的關(guān)系從一般量子密鑰分發(fā)的線(xiàn)性關(guān)系提升至平方根的水平，因此可以獲得遠超過(guò)一般量子密鑰分發(fā)方案的成碼距離。
本研究中，科研團隊采用了清華大學(xué)王向斌等提出的“發(fā)送-不發(fā)送”雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議。該協(xié)議可以在現實(shí)條件下可以有效的提升量子密鑰分發(fā)系統工作距離。為了進(jìn)行極遠距離的量子密鑰分發(fā)，該團隊與合作單位，采用基于“純二氧化硅纖芯”技術(shù)的超低損光纖，實(shí)現了低于0.16 dB/km的量子信道光纖鏈路。上海微系統所發(fā)展了極低噪聲超導單光子探測器，通過(guò)在40 K和2.2 K溫區進(jìn)行多級濾波抑制熱輻射引起的暗計數，將單光子探測器的噪聲降低至0.02 cps。該團隊還發(fā)展了時(shí)分復用的雙波長(cháng)相位估計方案，避免了同波長(cháng)參考光二次瑞利散射、不同波長(cháng)參考光自發(fā)拉曼散射等噪聲影響，將鏈路噪聲降低至0.01 Hz以下。
在上述技術(shù)發(fā)展的基礎上，該工作實(shí)現了最遠達1002 km的雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)，獲得0.0034 bps成碼率。該團隊對系統參數進(jìn)行優(yōu)化后，在202 km光纖距離下獲得47.06 kbps成碼率，并在300 km和400 km光纖距離下，獲得的成碼率相較原始“測量器件無(wú)關(guān)”量子密鑰分發(fā)提高了6個(gè)數量級。該工作驗證了極遠距離下雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)方案的可行性，并驗證了在城際光纖距離下，采用該協(xié)議可以實(shí)現高成碼率的量子密鑰分發(fā)，適合城際量子通信主干鏈路使用。上述成果得到了審稿人的高度評價(jià)。
研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委員會(huì )、中國科學(xué)院、山東省、安徽省和上海市等的支持。
