光纖量子通信世界新紀(jì)錄！潘建偉、王向斌團隊實現(xiàn) 509 公里地基量子密鑰分發(fā)

本文作者：付靜

2020-03-05 18:36

導(dǎo)語：“遠(yuǎn)距離傳輸問題是量子通信的一大挑戰(zhàn)?！?

從發(fā)射世界首顆量子衛(wèi)星“墨子號”、開通世界首條量子保密通信干線“京滬干線”、到量子密鑰分發(fā)距離的不斷增加，我國量子通信技術(shù)始終處于世界前列。

而近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊與清華大學(xué)王向斌團隊更是再度強強聯(lián)合，突破了遠(yuǎn)距離獨立激光相位干涉技術(shù)，實現(xiàn) 500 公里量級真實環(huán)境光纖的雙場量子密鑰分發(fā)（TF-QKD），從而再次刷新了量子密鑰分發(fā)傳輸距離的世界紀(jì)錄。

當(dāng)?shù)貢r間 2020 年 2 月 20 日，上述團隊名為 Sending-or-Not-Sending with Independent Lasers: Secure Twin-Field Quantum Key Distribution over 509 km（"發(fā)送-不發(fā)送"獨立激光器：509 公里安全雙場量子密鑰分發(fā)）的研究成果發(fā)表在世界著名物理學(xué)頂級學(xué)術(shù)周刊《物理學(xué)評論快報》（Physical Review Letters）上，并入選為“編輯推薦”文章。

光纖量子通信世界新紀(jì)錄！潘建偉、王向斌團隊實現(xiàn) 509 公里地基量子密鑰分發(fā)

“發(fā)送—不發(fā)送”的雙場量子密鑰分發(fā)方案

在密碼學(xué)中，密鑰（key）指用來完成加密、解密、完整性驗證等密碼學(xué)應(yīng)用的秘密信息。實際上，自人類使用語言以來，通過密鑰給信息加密的技術(shù)就在不斷發(fā)展。

1984 年，物理學(xué)家 Bennett 和密碼學(xué)家 Brassard 提出了基于量子力學(xué)測量原理的世界首個量子密鑰分發(fā)協(xié)議（BB84 協(xié)議），旨在增加安全通信距離、提高安全性。依據(jù)該協(xié)議提出的量子密鑰分發(fā)（QKD，即 quantum key distribution）可以為分隔兩地的用戶提供無條件的安全共享密鑰，在根本上保證了密鑰的安全性。

不過，由于受到通信光纖損耗、探測器噪聲等限制，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)通常只能在 100 公里內(nèi)獲得較高的成碼率——在無量子中繼（中繼指兩個交換中心之間的一條傳輸通路）的情形下，安全成碼率受線性界限的約束。

光纖量子通信世界新紀(jì)錄！潘建偉、王向斌團隊實現(xiàn) 509 公里地基量子密鑰分發(fā)

【抗黑客攻擊量子密鑰分發(fā)示意圖】

基于此，一種新型量子密鑰分發(fā)方案——「“發(fā)送—不發(fā)送”的雙場量子密鑰分發(fā)方案」應(yīng)運而生，該方案由清華大學(xué)物理系教授、清華大學(xué)密碼理論中心副主任、濟南量子技術(shù)研究院院長、該論文作者之一王向斌提出。

據(jù)悉，這種方案巧妙地利用單光子干涉的特性，大大提高了對相位噪聲的容忍能力和安全性，讓量子密鑰分發(fā)的成碼率在長距離的情況下也維持較高水平。

簡單來講，雙場量子密鑰就像是一對雙胞胎攜手，甚至可以在無中繼的情形下輕松突破成碼率線性界限。

2019 年，中國“量子之父”、中科院院士潘建偉及其團隊便在 300 公里真實環(huán)境的光纖中完成了雙場量子密鑰分發(fā)實驗。

不過雷鋒網(wǎng)了解到，雙場量子密鑰分發(fā)的技術(shù)要求相當(dāng)苛刻：

要求兩個遠(yuǎn)程獨立激光器的單光子級干涉；
需要通過單光子探測結(jié)果實現(xiàn)長距離光纖鏈路相對相位快速漂移的精準(zhǔn)估計；
需要同時滿足高計數(shù)率、高效率及超低暗計數(shù)的單光子探測器。

量子密鑰分發(fā)傳輸距離世界新紀(jì)錄

此次，研究團隊正是應(yīng)用了上述方案，在 509 公里長的超低損耗光纖上實驗證明了一種安全的密鑰分發(fā)，突破了無中繼量子密鑰的絕對密鑰速率限制，成功創(chuàng)造了地基量子密鑰分發(fā)最遠(yuǎn)距離新的世界紀(jì)錄。

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具體來講，潘建偉團隊基于王向斌提出的“發(fā)送-不發(fā)送”雙場量子密鑰分發(fā)方案，發(fā)展時頻傳輸技術(shù)和激光注入鎖定技術(shù)，將兩個獨立的遠(yuǎn)程激光器的波長鎖定為相同，并利用附加相位參考光來估計光纖的相對相位快速漂移。同時，團隊結(jié)合了中科院上海微系統(tǒng)所研制的高計數(shù)率低噪聲單光子探測器，最終將量子密鑰分發(fā)的安全成碼距離推至 500 公里量級。

下圖為實驗裝置示意圖，Alice 和 Bob 為遠(yuǎn)程鎖頻穩(wěn)定連續(xù)波激光器，由相位調(diào)制器（PM）和三個強度調(diào)制器（IM1、IM2、IM3）調(diào)制，用于相位隨機化、編碼和誘餌強度調(diào)制。

另外，圖中 ATT 為衰減器，PC 為偏振控制器，PBS 為偏振分束器，DWDM 為密集波分復(fù)用器，CIR 為循環(huán)器，BS 為分束器，F(xiàn)M 為法拉第鏡，PD 為光電二極管。

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根據(jù)論文，509 公里處的光纖成碼率比傳統(tǒng)無中繼量子密鑰分發(fā)的相對界限高 7 倍以上，即超過了理想的探測裝置（探測器效率為 100%）下的無中繼量子密鑰分發(fā)成碼極限。

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此外，如果將系統(tǒng)重復(fù)頻率升級至京滬干線等遠(yuǎn)距離量子通信網(wǎng)絡(luò)中采用的 1GHz，300 公里處成碼率可達 5kbps，從而大量減少骨干光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)中的可信中繼數(shù)量，大幅提升光纖量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的安全性。

實際上，當(dāng)?shù)貢r間 2020 年 3 月 2 日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》子刊《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）刊登了潘建偉院士等人的另一篇研究成果，名為 Implementation of quantum key distribution surpassing the linear rate-transmittance bound（超過線性速率-透射率界限的量子密鑰分發(fā)的實施情況）。

雷鋒網(wǎng)注意到，該研究是以清華大學(xué)教授馬雄峰提出的相位匹配量子密鑰分發(fā)（PM-QKD）協(xié)議為基礎(chǔ)，進一步推進了遠(yuǎn)程量子通信的發(fā)展，為方興未艾的量子互聯(lián)網(wǎng)打下基礎(chǔ)。

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