斗破苍穹

中国科大成功实现500公里量级现场无中继光纤量子密钥分发 创下现场光纤量子保密通信新的世界纪录

发布时间:2020-06-23     来源于:上海研究院

近(jin)日(ri),中(zhong)国科学技(ji)(ji)术(shu)大学教(jiao)授潘(pan)建伟(wei)及其同事张强、陈腾云与(yu)济(ji)南(nan)量子技(ji)(ji)术(shu)研究院王向斌、刘洋等合(he)作,利用中(zhong)科院上海微系统所(suo)尤立(li)星小组研制的超导探测器,基于“济(ji)青干线”现(xian)场(chang)(chang)光(guang)缆(lan),突破(po)现(xian)场(chang)(chang)远(yuan)距(ju)离高性能单光(guang)子干涉(she)技(ji)(ji)术(shu),分(fen)别采用激光(guang)注入锁定实(shi)现(xian)了428公里(li)双场(chang)(chang)量子密钥分(fen)发(fa)(TF-QKD),同时利用时频(pin)传递技(ji)(ji)术(shu)实(shi)现(xian)了511公里(li)TF-QKD,是目前现(xian)场(chang)(chang)无中(zhong)继光(guang)纤QKD最远(yuan)的传输距(ju)离。相关研究成(cheng)果分(fen)别发(fa)表于国际著名学术(shu)期(qi)刊《物理(li)评论快(kuai)报》(被(bei)选为(wei)编(bian)辑推荐文(wen)章(zhang))和《自然·光(guang)子学》上,并被(bei)APS下属(shu)网站Physics SYNOPSIS栏目和英国《新科学家》报道。

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量子不可克(ke)隆原理保证了QKD的(de)无(wu)条件安全性,而未知量子态(tai)的(de)不可克(ke)隆性,也使(shi)得QKD不能像经(jing)典光(guang)通信(xin)那样,通过光(guang)放大对(dui)传输进行中(zhong)继,因此实际应用(yong)中(zhong)QKD的(de)传输距离(li)受到光(guang)纤(xian)损耗的(de)限制。

相比(bi)(bi)传(chuan)统协(xie)议(yi)(yi),TF-QKD协(xie)议(yi)(yi)具有密钥率(lv)随(sui)信道透过率(lv)的(de)平方根尺度(du)下降的(de)优势(shi),所(suo)以(yi)特别适合远距离QKD。此(ci)前,潘(pan)建伟团(tuan)队已经在实(shi)(shi)验(yan)(yan)室(shi)内实(shi)(shi)现(xian)(xian)超过500公里TF-QKD的(de)验(yan)(yan)证(zheng),然(ran)而,在实(shi)(shi)际场景的(de)苛(ke)刻环境下实(shi)(shi)现(xian)(xian)TF-QKD是(shi)极其困难的(de)。实(shi)(shi)验(yan)(yan)室(shi)内温度(du)、振(zhen)动以(yi)及人活动引(yin)起(qi)(qi)(qi)的(de)声音等噪声都(dou)可以(yi)被有效隔离,但现(xian)(xian)场环境中这些是(shi)不可避免的(de)。由于昼夜(ye)温度(du)起(qi)(qi)(qi)伏引(yin)起(qi)(qi)(qi)的(de)热胀冷(leng)缩(suo)效应,现(xian)(xian)场光(guang)(guang)缆一(yi)天的(de)长(zhang)度(du)变化总量(liang),比(bi)(bi)实(shi)(shi)验(yan)(yan)室(shi)光(guang)(guang)纤(xian)高(gao)两个(ge)数(shu)(shu)(shu)量(liang)级,相应的(de)长(zhang)度(du)和偏振(zhen)变化速率(lv),也比(bi)(bi)实(shi)(shi)验(yan)(yan)室(shi)光(guang)(guang)纤(xian)快两到三个(ge)数(shu)(shu)(shu)量(liang)级;并(bing)且现(xian)(xian)场光(guang)(guang)缆的(de)损耗要高(gao)于实(shi)(shi)验(yan)(yan)室(shi)光(guang)(guang)纤(xian),即使对现(xian)(xian)场光(guang)(guang)缆的(de)各(ge)个(ge)连接点(dian)进行优化,损耗依然(ran)比(bi)(bi)实(shi)(shi)验(yan)(yan)室(shi)光(guang)(guang)纤(xian)高(gao)约10%;此(ci)外,由于现(xian)(xian)场光(guang)(guang)缆每根纤(xian)芯承(cheng)载着不同的(de)业务,同一(yi)光(guang)(guang)缆中的(de)不同光(guang)(guang)纤(xian)所(suo)传(chuan)输的(de)信号会(hui)产生一(yi)定程度(du)的(de)相互串扰,这种串扰引(yin)起(qi)(qi)(qi)的(de)噪声,比(bi)(bi)单(dan)光(guang)(guang)子探测(ce)器的(de)本底噪声高(gao)两个(ge)数(shu)(shu)(shu)量(liang)级以(yi)上。

潘建伟(wei)团队(dui)基于(yu)王向(xiang)斌提(ti)出的SNS-TF-QKD(“发(fa)送-不发(fa)送”双(shuang)场(chang)量子密钥分发(fa))协议,发(fa)展时频传输技术和(he)激光(guang)注入锁(suo)定技术,将(jiang)现场(chang)相(xiang)隔(ge)几百公里(li)的两个独立(li)激光(guang)器(qi)的波长锁(suo)定为相(xiang)同(tong);再(zai)针对(dui)现场(chang)复杂(za)的链(lian)路环境(jing),开(kai)发(fa)了(le)(le)光(guang)纤(xian)(xian)长度及偏振变化实时补偿(chang)系统(tong);此外,对(dui)于(yu)现场(chang)光(guang)缆中(zhong)其他业务(wu)的串(chuan)扰,精心(xin)设计了(le)(le)QKD光(guang)源的波长,并通过窄带滤波将(jiang)串(chuan)扰噪(zao)(zao)声(sheng)滤除;最后结合(he)中(zhong)科(ke)院上海微系统(tong)所研制(zhi)的高计数率低噪(zao)(zao)声(sheng)单光(guang)子探测(ce)器(qi),在现场(chang)将(jiang)无中(zhong)继光(guang)纤(xian)(xian)QKD的安全(quan)成码距(ju)离推(tui)至500公里(li)以上。

上述研(yan)究成果成功创(chuang)造(zao)了现场光(guang)纤无(wu)(wu)中(zhong)继(ji)QKD最远距(ju)离新(xin)的世(shi)界(jie)纪录,在超过500公(gong)里的光(guang)纤成码(ma)率打破了传统无(wu)(wu)中(zhong)继(ji)QKD所(suo)限(xian)(xian)定(ding)的成码(ma)率极限(xian)(xian),即超过了理想的探测(ce)装(zhuang)置(探测(ce)器效率为100%)下的无(wu)(wu)中(zhong)继(ji)QKD成码(ma)极限(xian)(xian)。上述的工(gong)作在实际环境中(zhong)证明(ming)了TF-QKD的可行(xing)性,并为实现长距(ju)离光(guang)纤量子(zi)网络(luo)铺平(ping)了道路。

该工作得到了科(ke)技部、自然科(ke)学基金委(wei)、中科(ke)院、山东(dong)省和安徽省等的(de)资助。

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