潘建偉團隊再創世界紀錄！成功實現500公里現場無中繼光纖量子密鑰分發 | 專訪

“我認爲，他們在把在實驗室裡行得通的東西變成在實地行得通的東西做得很好。”談及中國於近日實現 511 公里的雙場量子密鑰分發，英國國家量子技術計劃領導團隊成員、英國蘇塞克斯大學 (University of Sussex) 實驗物理學研究教授彼得・克魯格 (Peter Kruger) 這樣告訴媒體。

日前，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心潘建偉、張強、陳騰雲，聯合濟南量子技術研究院王向斌、劉洋等合作者，分別利用激光注入鎖定和用時頻傳遞技術作爲光源，實現了 428 公里與 511 公里的雙場量子密鑰分發（TF-QKD）。

圖 | 428 公里雙場量子密鑰分發（來源：Physical Review Letters）

圖 | 511 公里 “發送 - 不發送” 雙場量子密鑰分發 (SNS-TF-QKD）的現場部署（來源：Nature Photonics）

值得注意的是，此前東芝歐洲公司在英國劍橋進行的一項實驗中，展示了使用相同協議的 600 公里鏈路長度的量子密鑰分發，但其實驗中設備全部安裝在一個實驗室中，並且其通信長度在此後的實驗中可能很難得到拓展。

此次，中國研究團隊實現的遠距離量子通信實驗，是目前傳輸距離最遠的現場無中繼光纖量子密鑰分發實驗。在該實驗前，最遠的現場光纖量子密鑰分發距離約爲 100 公里左右。

研究中，中國團隊採用中科院上海微系統所研究員尤立星教授小組研發的超導納米線單光子探測器，基於 “濟青幹線” 現場光纜，突破了遠距離現場光纖中高性能單光子干涉技術。

目前，該成果已得到 New Scientist 的報道，其中前文的彼得・克魯格這樣評價該成果的難度：“對於量子糾纏來說，在實驗室的實驗中，我們可以嚴格控制實驗條件，避免輕微的環境擾動對實驗產生影響，比如說話等。但是，很明顯在實際應用中，環境條件往往是不可控的，這是實驗面臨的多項挑戰之一。因此，在數百公里範圍內實現單光子實驗是相當了不起的。”

圖 | 相關報道（來源：New Scientist）

據瞭解，相關論文分別以《相距 511 公里城市間的雙場量子密鑰分發實驗》和《428 公里距離的雙場量子密鑰分發現場測試》爲題，分別發表在 Nature Photonics 和 Physical Review Letters 上。

圖 | 相關論文（來源：Physical Review Letters、Nature Photonics）

其實，本次研究的另一個重點就是遠距離和無中繼。世界上很多量子通信的實驗都採用了光纖作爲物理通信鏈路，採用光子作爲信息載體，但是光子在光纖中傳輸存在一個避不開的物理問題 —— 衰減 —— 光子的能量會在傳輸中以指數形式衰減。

解決方案之一就是在傳輸的過程中加入可以對信號放大的中繼站，這是與傳統通信行業相類似的操作，但是中繼的加入也會帶來一些麻煩，例如光子量子相干性的保證、中繼站設備的設計和維護等等。

所以此次研究等於開闢了另外一條賽道，用無中繼的方式實現遠距離的量子糾纏通信，他們選擇了量子密鑰分發。

把兩個獨立激光器的波長鎖定爲相同，並開發出實時補償系統

本次論文提到，量子密鑰分發的無條件安全性，受到量子不可克隆原理的保證，就像在森林中找不到相同的兩片樹葉那樣神奇。

但是，未知量子態的不可克隆的性質，也導致量子密鑰分發無法像經典光通信那樣，利用光放大器或中繼站對信號進行放大和中繼，根據海森堡不確定原理，這些操作都會對光子的量子態產生影響。所以在實際應用中，光纖損耗會直接限制量子密鑰分發的傳輸距離。

傳統量子密鑰分發協議成碼率隨信道透過率線性下降，而本次實驗採用了雙場量子密鑰分發協議，其成碼率隨信道透過率的平方根尺度下降，因此非常適合遠距離量子密鑰分發。

其原理簡單來講，在 TF-QKD 的實驗中，假如“張三”和“李四”分別代表通信的兩端，他們各自用秘密比特和基矢進行相位編碼，產生具有量子態的光子，並一起發送給中間的“王五”進行干涉測量。

而實驗中，我們協議規定只有當“張三”和“李四”發送的光子的處於相位分別處在正關聯或者反關聯時，“王五”會產生有效響應。但是除了“張三”和“李四”之外，誰都無法知道他們發送的光子的狀態，就連“王五”也不知道。

就像大型的相親會，只有感覺對的那一對男女纔會有來有往的聊天，而主辦方只能知道他們來電了，並不知道私聊的內容。如此一來，光子傳輸的距離在理論上就能翻倍了。

儘管此前在實驗室內，潘建偉團隊已實現 500 多公里的雙場量子密鑰分發的驗證，創造了一個可以建立量子密鑰的鏈接，不過採用的其核心技術並不是量子糾纏。而在實際場景的存在多擾動的環境下，仍然難以實現雙場量子密鑰分發，並且無中繼實現遠距離量子密鑰分發實屬不易。

（來源：受訪者）

另一個需要克服的難題在於，在實驗室內溫度、振動以及人類噪音可以進行比較有效隔離，但在現場環境中，無法避免以上因素對信道的影響。

這是因爲在現場光纜條件下，晝夜溫差起伏會引起熱脹冷縮，現場光纜一日內的長度變化總量，超出實驗室光纖兩個數量級。

而且，現場光纜的損耗也比實驗室光纖的更大，就算給現場光纜各個連接點做優化，其損耗仍然高出實驗室光纖約 10%。

另外，現場光纜中部分纖芯會承載經典通信的業務，在同一光纜中不同光纖傳輸的信號也會產生相應的相互串擾，由此帶來的噪聲，超出單光子探測器的本底噪聲兩個數量級以上。

基於此，該團隊基於濟南量子技術研究院王向斌提出的 SNS-TF-QKD（“發送 - 不發送” 雙場量子密鑰分發）協議，對時頻傳輸技術和激光注入鎖定技術做了相應發展，把間隔幾百公里的兩個獨立激光器的波長鎖定爲相同，再針對鏈路環境開發出光纖長度以及偏振變化的實時補償系統。

另據悉，他們還就現場光纜中其他業務的串擾，設計量子密鑰分發光源的波長，並通過使用窄帶濾波、時間濾波等技術降低串擾噪聲的影響。

（來源：受訪者）

在現場光纜中，結合中科院上海微系統所的高計數率低噪聲單光子探測器，最終把無中繼光纖量子密鑰分發的安全成碼距離提升至 500 公里以上。

爲實現長距離光纖量子網絡鋪平道路

概括來說，該成果創造了現場光纖無中繼量子密鑰分發最遠距離新紀錄，在 500 公里以上的光纖成碼率中，打破了傳統無中繼量子密鑰分發所限定的成碼率極限，獲得高於理想的探測裝置（探測器效率爲 100%）的無中繼量子密鑰分發成碼率上限，並在實際環境中證明了雙場量子密鑰分發的可行性，爲實現長距離光纖量子網絡鋪平道路。

對於可能的具體應用，張強告訴 DeepTech：“現場條件下遠距離量子密鑰分發的實驗驗證，爲未來遠距離量子密鑰分發的網絡提供了技術基礎。我們發展的技術也可能在相關領域獲得應用。”

圖 | 張強（來源：受訪者）

談及研究中難忘的事，他表示，我們進行現場密鑰分發實驗，遇到了很多實驗室中不曾面對的困難；在鏈路協調、光纖優化，解決環境干擾、串擾及散射噪聲等方面，付出了大量努力後，才具備穩定的實驗條件，進行真正的實驗測試。

對於未來的研究，他表示，實驗室期望繼續發展相應技術，進一步進行工程化研究，也期望實驗室取得的研究成果在現實的量子密鑰分發網絡中得到進一步的應用。

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