中国科学家创造了500公里光纤量子密钥分发的新世界纪录

创建时间：2020-03-17 08:09

近日，中国科学技术大学的潘建伟、张强、陈腾云等与清华大学王向斌、马雄峰，以及上海微系统所游立行等合作，突破了远距离独立激光相位干涉技术，并分别实现了500公里真实环境下光纤的双场量子密钥分配 (tf-qkd) 和相位匹配量子密钥分配 (pm-qkd)。相关研究成果近日发表在国际权威学术期刊《物理评论快报》 (并被选为 “编辑推荐” 文章) 和《自然光子学》上。SNSPD由赋同量子提供。

在量子密钥分发 (QKD) 的长距离实际应用中，信道损耗是最严重的限制因素。现有测量设备独立量子密钥分配 (mdi-qkd) 使用双光子复合事件作为有效检测事件，使其安全速率随信道衰减线性下降。在无量子中继的情况下，安全速率受到线性极限的约束，tf-qkd采用单光子干扰作为有效探测事件，使安全速率随信道衰减的平方根线性下降，甚至可以在没有继电器的情况下轻松突破QKD比特率线性限制。

然而，tf-qkd实现的技术要求相当苛刻，因为它需要两个远程独立激光器的单光子干涉，同时需要通过单光子检测结果准确估计长距离光纤链路的相对相位漂移。此外，tf-qkd需要同时满足高计数率、高效率和超低暗计数的单光子探测器。在这两项相关研究中，潘建伟实验团队基于王向斌提出的 “发送-不发送” tf-qkd协议和马雄峰提出的pm-qkd协议，开发了时频传输技术和激光注入锁定技术。独立的远程激光器的波长被锁定为相同的，并且附加的相位参考光用于估计光纤的相对相位快速漂移。结合中科院上海微系统所研制的高计数率、低噪声超导纳米线单光子探测器，最终在实验室将QKD的安全编码距离推到了500多公里。

上述研究成果成功创造了量子密钥分发最远距离的新世界纪录。超过500公里的光纤编码率突破了传统非中继QKD定义的编码率限制，即超过了非中继QKD编码限制下的理想检测装置 (检测器效率为100%)。如果将系统重复频率升级到京沪干线等长距离量子通信网络中使用的1ghz，则在300公里处的码率可以达到5kbps，这将大大减少骨干光纤量子通信网络中的可信中继数量，并大大提高光纤量子安全通信网络的安全性。