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央廣網(wǎng)北京5月28日消息 近日，中國科學院院士、中國科學技術(shù)大學潘建偉等，通過發(fā)展低串擾相位參考信號控制、極低噪聲單光子探測器等技術(shù)，實現(xiàn)了光纖中1002公里點對點遠距離量子密鑰分發(fā)，不僅創(chuàng)下了光纖無中繼量子密鑰分發(fā)距離的世界紀錄，也提供了城際量子通信高速率主干鏈路的方案。相關(guān)研究成果于5月25日發(fā)表在國際學術(shù)期刊《物理評論快報》雜志。
量子密鑰分發(fā)（QKD）基于量子力學基本原理，可以在用戶間進行安全的密鑰分發(fā)，結(jié)合“一次一密”的加密方式，進而可實現(xiàn)最高安全性的保密通信。然而，量子密鑰分發(fā)的距離一直受到通信光纖的固有損耗和探測器噪聲等因素的限制。雙場量子密鑰分發(fā)（TF-QKD）協(xié)議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，因此可以獲得遠超過一般量子密鑰分發(fā)方案的成碼距離。
在這項工作中，研究團隊采用了王向斌等提出的“發(fā)送-不發(fā)送”雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議，該協(xié)議在現(xiàn)實條件下可以有效地提升量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)工作距離。為了進行極遠距離的量子密鑰分發(fā)，研究團隊與長飛光纖光纜股份有限公司合作，采用基于“純二氧化硅纖芯”技術(shù)的超低損光纖，實現(xiàn)低于0.16dB/km的量子信道光纖鏈路。中科院上海微系統(tǒng)所發(fā)展了極低噪聲超導單光子探測器，通過在40K和2.2K溫區(qū)進行多級濾波抑制熱輻射引起的暗計數(shù)，將單光子探測器的噪聲降低至0.02cps。研究團隊還發(fā)展了時分復用的雙波長相位估計方案，避免了同波長參考光二次瑞利散射、不同波長參考光自發(fā)拉曼散射等噪聲影響，將鏈路噪聲降低至0.01Hz以下。
在上述技術(shù)發(fā)展的基礎上，該工作實現(xiàn)了最遠達1002 km的雙場量子密鑰分發(fā)，獲得0.0034 bps成碼率。對系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化后，在202 km光纖距離下獲得47.06 kbps成碼率，并且在300km和400 km光纖距離下，獲得的成碼率相較原始“測量器件無關(guān)”量子密鑰分發(fā)提高了6個數(shù)量級。該工作不僅驗證了極遠距離下雙場量子密鑰分發(fā)方案的可行性，也驗證了在城際光纖距離下，采用該協(xié)議可以實現(xiàn)高成碼率的量子密鑰分發(fā)，適合城際量子通信主干鏈路使用。該工作得到了審稿人的高度評價，認為這項工作是“該領(lǐng)域極其重要的進展，量子密鑰分發(fā)技術(shù)新的里程碑 ”。
