近日,中国科学技术大学潘建伟、张强、陈腾云等与清华大学王向斌、马雄峰合作,突破远距离独立激光相位干涉技术,分别实现了500公里量级真实环境光纤的双场量子密钥分发(TF-QKD)和相位匹配量子密钥分发(PM-QKD)。相关研究成果分别于近期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。
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。现有的测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)采用双光子复合事件作为有效探测事件,使其安全成码率随信道衰减线性下降,在无量子中继的情形下,安全成码率受线性界限的约束,而TF-QKD利用单光子干涉作为有效探测事件,使安全成码率随信道衰减的平方根线性下降,甚至可以在无中继的情形下轻松突破QKD成码率线性界限。
然而,TF-QKD实施的技术要求相当苛刻,因为它要求两个远程独立激光器的单光子级干涉,同时需要通过单光子探测结果实现长距离光纤链路相对相位快速漂移的精准估计。此外TF-QKD需要同时满足高计数率、高效率及超低暗计数的单光子探测器。在相关的这两项研究中,潘建伟实验小组分别基于王向斌提出的“发送-不发送”的TF-QKD协议和马雄峰提出的PM-QKD协议,发展时频传输技术和激光注入锁定技术,将两个独立的远程激光器的波长锁定为相同,并利用附加相位参考光来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单光子探测器,最终在实验室内将QKD的安全成码距离推至500公里以上。
上述研究成果成功创造了地基量子密钥分发最远距离新的世界纪录,在超过500公里的光纤成码率打破了传统无中继QKD所限定的成码率极限,即超过了理想的探测装置(探测器效率为100%)下的无中继QKD成码极限。如果将系统重复频率升级至京沪干线等远距离量子通信网络中采用的1GHz,在300公里处,成码率可达5kbps,这将大量减少骨干光纤量子通信网络中的可信中继数量,大幅提升光纤量子保密通信网络的安全性。
