據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)網(wǎng)站消息，近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事張強(qiáng)、劉洋與清華大學(xué)王向斌、中科院上海微系統(tǒng)所尤立星等人合作，在發(fā)展快速高穩(wěn)定性激光頻率鎖定技術(shù)與高計(jì)數(shù)率低噪聲單光子探測器的基礎(chǔ)上，在300公里真實(shí)環(huán)境的光纖中實(shí)現(xiàn)了雙場量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。相關(guān)研究成果于9月5日（北京時(shí)間）在線發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上（Phys. Rev. Lett. 123, 100505 (2019)）。這項(xiàng)成果不僅完整實(shí)現(xiàn)了300公里的雙場量子密鑰分發(fā)，也驗(yàn)證了700公里以上光纖遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)的可行性，有望成為新一代遠(yuǎn)距離城際量子密鑰分發(fā)的基礎(chǔ)。

“發(fā)送-不發(fā)送”雙場QKD示意圖

量子密鑰分發(fā)（QKD）可以在用戶間進(jìn)行非常高安全性的密鑰分發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最高安全性的保密通信，具有非常重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。但是限于通信光纖的損耗和探測器的噪聲等原因，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)通常只能在100公里內(nèi)獲得較高成碼率。目前安全性最高的測量設(shè)備無關(guān)的量子密鑰分發(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。最近，英國東芝公司的科學(xué)家提出了一種新型的量子密鑰分發(fā)方案：雙場量子密鑰分發(fā)（Twin-Field QKD）方案，巧妙地利用單光子干涉的特性，將成碼率與距離的關(guān)系從一般量子密鑰分發(fā)的線性關(guān)系提升至平方根的水平，因此可以獲得遠(yuǎn)超過一般量子密鑰分發(fā)方案的成碼距離，并且理論上可以獲得遠(yuǎn)高于一般量子密鑰分發(fā)方案的成碼率，為遠(yuǎn)距離、高性能量子密鑰分發(fā)提供了新的方向。

然而，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)雙場量子密鑰分發(fā)方案的條件極其苛刻。該方案利用單光子干涉，為了保證干涉的穩(wěn)定性，需要通信雙方獨(dú)立光源的波長差不能高于10 kHz的水平（比光子本身的頻率低10個(gè)量級(jí)），并且在經(jīng)過百公里以上的傳輸后需要控制光纖引起的相位差不高于0.3弧度（需要遠(yuǎn)小于光子波長）。

本研究中，王向斌教授提出了基于“發(fā)送-不發(fā)送”的雙場量子密鑰分發(fā)方案，大大提高了對(duì)相位噪聲的容忍能力并嚴(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)制與鏈路相位估計(jì)方案，利用中科院上海微系統(tǒng)所研制的低噪聲超導(dǎo)納米線單光子探測器，實(shí)現(xiàn)了雙場量子密鑰分發(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)了雙場量子密鑰分發(fā)，在考慮統(tǒng)計(jì)漲落及有限長度分析等重要理論要求后，在300公里處，密鑰生成率達(dá)到2016年實(shí)驗(yàn)的50倍，并打破了一般無中繼量子密鑰分發(fā)方案的最高成碼率理論極限。同現(xiàn)有已發(fā)表的雙場QKD實(shí)驗(yàn)相比，本研究是唯一的考慮了有限碼長效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。此外，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)也分析了在提高探測器性能等條件下，該方案可以進(jìn)行超過700公里的遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)。

本工作驗(yàn)證了遠(yuǎn)距離雙場量子密鑰分發(fā)方案的可行性，證明該方案具有遠(yuǎn)距離、高成碼率等性能，非常適合在城際量子密鑰分發(fā)主干鏈路使用。該工作被《物理評(píng)論快報(bào)》審稿人評(píng)論為“實(shí)用雙場量子密鑰分發(fā)的重要里程碑”，被《物理評(píng)論快報(bào)》選為“編輯推薦”論文，并被美國物理學(xué)會(huì)的Physics雜志進(jìn)行了專題亮點(diǎn)報(bào)道。

上述研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、教育部、中國科學(xué)院、安徽省和濟(jì)南市的支持。