中國成功實現500公里地基量子密鑰分發

常河

近日，中國科學技術大學的潘建偉、張強、陳騰云等與清華大學的王向斌、馬雄峰合作，突破遠距離獨立激光相位干涉技術，分別實現了500公里量級真實環境光纖的雙場量子密鑰分發和相位匹配量子密鑰分發。相關研究成果于近期分別發表在國際權威學術期刊《物理評論快報》（并被選為“編輯推薦”文章）和《自然·光子學》上。

在量子密鑰分發的長距離實際應用中，信道損耗是最嚴重的限制因素。現有的測量設備無關量子密鑰分發采用雙光子復合事件作為有效探測事件，使其安全成碼率隨信道衰減線性下降，在無量子中繼的情形下，安全成碼率受線性界限的約束，而雙場量子密鑰分發利用單光子干涉作為有效探測事件，使安全成碼率隨信道衰減的平方根線性下降，甚至可以在無中繼的情形下輕松突破量子密鑰分發成碼率線性界限。

然而，雙場量子密鑰分發實施的技術要求相當苛刻，因為它要求兩個遠程獨立激光器的單光子級干涉，同時需要通過單光子探測結果實現長距離光纖鏈路相對相位快速漂移的精準估計。此外雙場量子密鑰分發需要同時滿足高計數率、高效率及超低暗計數的單光子探測器。在相關的這兩項研究中，潘建偉實驗小組分別基于王向斌提出的“發送-不發送”的雙場量子密鑰分發協議和馬雄峰提出的相位匹配量子密鑰分發協議，發展時頻傳輸技術和激光注入鎖定技術，將兩個獨立的遠程激光器的波長鎖定為相同，并利用附加相位參考光來估計光纖的相對相位快速漂移。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，最終在實驗室內將量子密鑰分發的安全成碼距離推至500公里以上。

該研究成果成功創造了地基量子密鑰分發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量子密鑰分發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%）下的無中繼量子密鑰分發成碼極限。如果將系統重復頻率升級至京滬干線等遠距離量子通信網絡中采用的1GHz，在300公里處，成碼率可達5kbps，這將大量減少骨干光纖量子通信網絡中的可信中繼數量，大幅提升光纖量子保密通信網絡的安全性。