我國科學家實現千公里無中繼光纖量子密鑰分發

　　中國科學技術大學潘建偉和張強等與清華大學王向斌、濟南量子技術研究院劉洋、中國科學院上海微系統與信息技術研究所尤立星與張偉君等合作，通過發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，實現了光纖中1002公里點對點遠距離量子密鑰分發，不僅創下了光纖無中繼量子密鑰分發距離的世界紀錄，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，相關研究成果發表在《物理評論快報》（Physical Review Letter）上。

　　量子密鑰分發（QKD）基于量子力學基本原理，可以在用戶間進行安全的密鑰分發，結合“一次一密”的加密方式，進而可實現最高安全性的保密通信。然而，量子密鑰分發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。雙場量子密鑰分發（TF-QKD）協議利用單光子干涉的特性，將成碼率與距離的關系從一般量子密鑰分發的線性關系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。

　　本研究中，科研團隊采用了清華大學王向斌等提出的“發送-不發送”雙場量子密鑰分發協議。該協議可以在現實條件下可以有效的提升量子密鑰分發系統工作距離。為了進行極遠距離的量子密鑰分發，該團隊與合作單位，采用基于“純二氧化硅纖芯”技術的超低損光纖，實現了低于0.16 dB/km的量子信道光纖鏈路。上海微系統所發展了極低噪聲超導單光子探測器，通過在40 K和2.2 K溫區進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。該團隊還發展了時分復用的雙波長相位估計方案，避免了同波長參考光二次瑞利散射、不同波長參考光自發拉曼散射等噪聲影響，將鏈路噪聲降低至0.01 Hz以下。

　　在上述技術發展的基礎上，該工作實現了最遠達1002 km的雙場量子密鑰分發，獲得0.0034 bps成碼率。該團隊對系統參數進行優化后，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“測量器件無關”量子密鑰分發提高了6個數量級。該工作驗證了極遠距離下雙場量子密鑰分發方案的可行性，并驗證了在城際光纖距離下，采用該協議可以實現高成碼率的量子密鑰分發，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。

　　研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委員會、中國科學院、山東省、安徽省和上海市等的支持。