日前，中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長潘建偉及其朋友張強(qiáng)、劉洋與復(fù)旦學(xué)院王向斌、中科院北京微系統(tǒng)所尤立星等人合作量子通訊距離，在發(fā)展快速高穩(wěn)定性激光頻度鎖定技術(shù)與高計(jì)數(shù)率低噪音單光子偵測器的基礎(chǔ)上，在300公里真實(shí)環(huán)境的光纖中實(shí)現(xiàn)了雙場量子秘鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。相關(guān)研究成果于9月5日（上海時(shí)間）在線發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)刊物《物理評論快報(bào)》雜志上（Phys.Rev.Lett.123,(2019)）。這項(xiàng)成果除了完整實(shí)現(xiàn)了300公里的雙場量子秘鑰分發(fā)，也驗(yàn)證了700公里以上光纖遠(yuǎn)距離量子秘鑰分發(fā)的可行性，有望成為新一代遠(yuǎn)距離城際量子秘鑰分發(fā)的基礎(chǔ)。
“發(fā)送-不發(fā)送”雙場QKD示意圖
量子秘鑰分發(fā)（QKD）可以在用戶間進(jìn)行特別高安全性的秘鑰分發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)最高安全性的保密通訊，具有極其重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。并且限于通訊光纖的耗損和偵測器的噪音等誘因，量子秘鑰分發(fā)系統(tǒng)一般只能在100公里內(nèi)獲得較高成幀率。目前安全性最高的檢測設(shè)備無關(guān)的量子秘鑰分發(fā)系統(tǒng)，最遠(yuǎn)成碼距離是潘建偉團(tuán)隊(duì)于2016年實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的404公里。近來，美國富士通公司的科學(xué)家提出了一種新型的量子秘鑰分發(fā)方案：雙場量子秘鑰分發(fā)（Twin-FieldQKD）方案，巧妙地借助單光子干涉的特點(diǎn)，將成分辨率與距離的關(guān)系從通常量子秘鑰分發(fā)的線性關(guān)系提高至平方根的水平，因而可以獲得遠(yuǎn)超過通常量子秘鑰分發(fā)方案的成碼距離，但是理論上可以獲得遠(yuǎn)低于通常量子秘鑰分發(fā)方案的成分辨率，為遠(yuǎn)距離、高性能量子秘鑰分發(fā)提供了新的方向。
但是，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)雙場量子秘鑰分發(fā)方案的條件非常嚴(yán)苛。該方案借助單光子干涉，為了保證干涉的穩(wěn)定性，須要通訊雙方獨(dú)立光源的波長差不能低于10kHz的水平（比光子本身的頻度低10個(gè)量級），但是在經(jīng)過百公里以上的傳輸后須要控制光纖造成的相位差不低于0.3弧度（須要遠(yuǎn)大于光子波長）。
本研究中，王向斌院士提出了基于“發(fā)送-不發(fā)送”的雙場量子秘鑰分發(fā)方案量子通訊距離，大大提升了對相位噪音的容忍能力并嚴(yán)格證明了安全性；潘建偉、張強(qiáng)實(shí)驗(yàn)小組發(fā)展了高速高穩(wěn)定性的相位鎖定技術(shù)、高性能調(diào)制與鏈路相位恐怕方案，借助中科院武漢微系統(tǒng)所研發(fā)的低噪音超導(dǎo)納拉面單光子偵測器，實(shí)現(xiàn)了雙場量子秘鑰分發(fā)方案的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本研究在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下相位劇烈變化的300公里光纖信道上，實(shí)現(xiàn)了雙場量子秘鑰分發(fā)，在考慮統(tǒng)計(jì)漲落及有限寬度剖析等重要理論要求后，在300公里處，秘鑰生成率達(dá)為2016年實(shí)驗(yàn)的50，并打破了通常無中繼量子秘鑰分發(fā)方案的最高成分辨率理論極限。同現(xiàn)有已發(fā)表的雙場QKD實(shí)驗(yàn)相比，本研究是惟一的考慮了有限碼長效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。據(jù)悉，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)也剖析了在提升偵測器性能等條件下，該方案可以進(jìn)行超過700公里的遠(yuǎn)距離量子秘鑰分發(fā)。
本工作驗(yàn)證了遠(yuǎn)距離雙場量子秘鑰分發(fā)方案的可行性，證明該方案具有遠(yuǎn)距離、高成分辨率等性能，特別適宜在城際量子秘鑰分發(fā)主干鏈路使用。該工作被《物理評論快報(bào)》審稿人評論為“實(shí)用雙場量子秘鑰分發(fā)的重要里程碑”，被《物理評論快報(bào)》選為“編輯推薦”論文，并被日本數(shù)學(xué)學(xué)會的刊物進(jìn)行了專題亮點(diǎn)報(bào)導(dǎo)。
上述研究得到了科技部重點(diǎn)研制計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、教育部、中國科大學(xué)、安徽省和北京市的支持。
論文鏈接：
（南京微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部)