新安晚報 安徽網 大皖新聞訊  據中國科技大學官網6月23日消息，近日，中國科學技術大學教授潘建偉及其同事張強、陳騰云與濟南量子技術研究院王向斌、劉洋等合作，利用中科院上海微系統所尤立星小組研制的超導探測器，基于“濟青干線”現場光纜，突破現場遠距離高性能單光子干涉技術，分別采用激光注入鎖定實現了428公里雙場量子密鑰分發（TF-QKD），同時利用時頻傳遞技術實現了511公里TF-QKD，是目前現場無中繼光纖QKD最遠的傳輸距離。

相關研究成果分別發表于國際著名學術期刊《物理評論快報》（6月22日刊登，并被選為編輯推薦文章）和《自然·光子學》（6月21日刊登）上。

量子具有“量子不可克隆定理”，就是說無法做到復制一個量子態而對被復制的量子態不產生影響。而任何未授權方企圖竊取密鑰的探測都可以看作是一種“克隆”，這就會帶來額外的誤碼，這些誤碼會在授權用戶的后處理過程中被發現。因此，量子能夠保證信息安全。

相比傳統協議，TF-QKD協議具有密鑰率隨信道透過率的平方根尺度下降的優勢，所以特別適合遠距離QKD。此前，潘建偉團隊已經在實驗室內實現超過500公里TF-QKD的驗證，然而，在實際場景的苛刻環境下實現TF-QKD是極其困難的。實驗室內溫度、振動以及人活動引起的聲音等噪聲都可以被有效隔離，但現場環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，現場光纜一天的長度變化總量，比實驗室光纖高兩個數量級，相應的長度和偏振變化速率，也比實驗室光纖快兩到三個數量級；并且現場光纜的損耗要高于實驗室光纖，即使對現場光纜的各個連接點進行優化，損耗依然比實驗室光纖高約10%；此外，由于現場光纜每根纖芯承載著不同的業務，同一光纜中的不同光纖所傳輸的信號會產生一定程度的相互串擾，這種串擾引起的噪聲，比單光子探測器的本底噪聲高兩個數量級以上。

現場實驗的部署

潘建偉團隊基于王向斌提出的SNS-TF-QKD（“發送-不發送”雙場量子密鑰分發）協議，發展時頻傳輸技術和激光注入鎖定技術，將現場相隔幾百公里的兩個獨立激光器的波長鎖定為相同；再針對現場復雜的鏈路環境，開發了光纖長度及偏振變化實時補償系統；此外，對于現場光纜中其他業務的串擾，精心設計了QKD光源的波長，并通過窄帶濾波將串擾噪聲濾除；最后結合中科院上海微系統所研制的高計數率低噪聲單光子探測器，在現場將無中繼光纖QKD的安全成碼距離推至500公里以上。

上述研究成果成功創造了現場光纖無中繼QKD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無中繼QKD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QKD成碼極限。上述的工作在實際環境中證明了TF-QKD的可行性，并為實現長距離光纖量子網絡鋪平了道路。

該工作得到了科技部、自然科學基金委、中科院、山東省和安徽省等的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.250502

https://www.nature.com/articles/s41566-021-00828-5

新安晚報 安徽網 大皖新聞記者

編輯 張大為