Nature Photonics | 511公里远距离无中继双场量子密匙分发

论文导读

      量子力学的基本原理以禁止量子态的放大为代价，保证了量子密钥分发的无条件安全性。因此，尽管在过去的几十年里全球大都市量子密钥分发网络取得了显著的进展，但不依赖于可信中继的长距离光纤量子密钥分发网络还没有实现。6月21日，中国科学技术大学潘建伟院士团队在Nature Photonics上刊发了在长距离光纤量子密钥分发网络领域取得的最新突破，文章标题为“Twin-field quantum key distribution over a 511?km optical fibre linking two distant metropolitan areas”。团队基于济南和青岛之间的511公里长的现场光缆（济青干线），用两个独立的激光源成功实现双场量子密匙分发，无需任何可信中继器。所生成的安全密钥速率比无中继量子密匙分发协议的绝对密钥速率限制高一个数量级，比应用之前相同长度的量子密匙分发现场测试系统的预期值高三个数量级。此项工作证明了双场量子密匙分发在实际环境中的可行性，为实现长距离光纤量子网络铺平了道路。

研究背景

      目前大规模光纤量子通信网络面临的主要挑战是如何克服中继站的局限性，在真正的长途干线上实现量子密钥分发。在所有的协议中，双场量子密钥分发保证了长距离的高密钥率，从而克服了中继器的局限性，密钥率被提高到信道透过率的平方根标度。此前，双场量子密钥分发的长距离实验已经达到了创纪录的500?公里。然而，所有这些实验都是在实验室中进行的，其在实际场景中的可行性仍不被确定。通常，与实验室实验相比，光纤通信网络中的现场测试由于复杂的环境波动和相邻经典光纤通信的串扰，往往会引入更多的噪声。这种条件对双场量子密匙分发更具挑战性，它要求单光子干涉具有光学相位稳定性。例如，在实验室中，由于人声或步行引起的振动将影响光学相位并降低干涉可见性。然而，人类的声音或其他活动不能像在实验室一样在野外被禁止。考虑到这些挑战，对该实验进行现场测试不仅是证明其可行性的必要条件，也是探索未来全球量子密匙分发网络可能性的重要一步。

技术突破

      此项工作精确地控制两个500多公里远的独立激光光源的波长，并快速补偿通道中任何微小的相位波动。在此基础上，采用连接中国山东青岛和济南的511公里的超低损耗光纤（包括430公里的长途光纤和81公里的光纤线轴）进行了双场量子密匙分发实验。如图1，青岛至山东的长线网络光光缆中包含12根超低损耗光纤，主要用于传统的光纤通信测试。在12个光纤中， 3个用于实验，其余9个仍用于中国联通的经典光纤通信，三种光纤被用来传输量子信号，光同步信号和激光频率锁定信号。两个商用的千赫兹连续波光纤激光器被分别锁定在两侧的超低膨胀玻璃腔中作为光源。利用时频传播信号锁定济南和青岛两个独立激光器的频率，两个源的相对频率漂移约为每秒0.1 Hz，累积相位差约为每小时π/60。此外，对于同步通道和波长锁定通道，大约每70公里使用掺铒光纤放大器来放大信号。同时，量子单节点没有任何中继节点。

      锁定频率后，光纤波动成为相位噪声的主要来源。在昼夜循环期间环境温度的变化会影响部署的光纤的有效长度，从而影响信号的相位和到达时间。如图2，在没有任何反馈的情况下，到达时间与环境温度密切相关，一天内的变化可达20 ns。到达时间漂移也可能通过影响两个脉冲之间的重叠而恶化信号的干扰。此项工作使用激光脉冲与时钟同步技术，将到达时间的波动减少到10 ps，远低于信号脉冲持续时间280 ps。在固定了时间漂移后，通过现场部署的光纤测量了每微秒0.03 rad的相速率。在后处理中，采用相位参考脉冲和相应的相位估计方法来补偿这种相位漂移。利用一个强度调制器将量子信号与强相位参考脉冲一起进行时间复用。根据相位参考信号的测量结果，在后处理中对相位差进行补偿，从而实现光学相敏干涉，消除相位波动。

      进一步，在双场量子密匙分发的现场实验中，采用了带有主动奇校验配对（AOPP）方法的发送或不发送协议进行数据后处理，大大提高密钥率，保证了双场量子密匙分发协议的高性能。如图3，此项工作收集了4.7小时的数据进行有限大小和波动分析，所获安全密钥率高达每脉冲3.37 × 10^?8。

观点评述

      与光纤通信类似，量子态也会随传输距离呈指数衰减。由于量子不可克隆性，一个简单的光放大器并不能用于长距离光纤量子密钥分发。到目前为止，量子密钥分发最长的野外试验报告仅为90公里。虽然有量子中继器已经被发明来代替光放大器，但目前的技术只能达到50?公里。双场量子分发可以克服中继器的局限性，在实验室中，已经达到500?公里无中继。此项工作的重要之处在于，其解决了野外环境下双场量子分发所要求的单光子干涉频率与相位的稳定性问题，将实验室理想环境下的记录在野外复杂环境下实现，开创了目前无中继量子密钥分发野外试验最长记录：511公里。这项工作中开发的技术或许能得到更广泛的应用，例如量子中继器和基于相位的量子互联架构。

• PhotoniX是中国光学工程学会新办会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编，拥有强大的国际编委和编辑团队。属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。PhotoniX主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

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