中国科大成功实现500公里地基量子密钥分发

科普小知识2022-01-24 00:48:46

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近日，中国科技大学的潘建伟、张强、陈等人与清华大学的王、马等人合作，突破了长距离独立激光相位干涉技术，分别实现了500公里尺度真实环境光纤的双场量子密钥分配和相位匹配量子密钥分配。相关研究成果最近分别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”)和《自然光子学》上。

在量子密钥分发的远程实际应用中，信道损耗是最严重的限制因素。现有测量设备独立的量子密钥分发采用双光子复合事件作为有效的检测事件，安全形成率随信道衰减线性下降；在没有量子中继的情况下，安全形成速率受线性限制；双场量子密钥分发使用单光子干涉作为有效的检测事件，使得安全形成率随着信道衰减的平方根线性下降，甚至可以在没有中继的情况下轻松突破量子密钥分发的线性极限进入码率。

然而，双场量子密钥分配的实现需要非常严格的技术要求，因为它需要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检测结果精确估计长距离光纤链路的相对相位快速漂移。此外，双场量子密钥分发需要单光子检测器同时满足高计数率、高效率和超低暗计数。在这两项相关研究中，结合中科院上海微系统研究所开发的高计数率低噪声单光子探测器，潘剑伟实验团队和合作团队最终将实验室量子密钥分发的安全编码距离推进到500多公里。

上述研究成果成功地创造了基础量子密钥分发最远距离的世界纪录。500公里以上光纤的编码率突破了传统非中继量子密钥分配的编码率限制，即超过了理想检测设备下非中继量子密钥分配的编码率限制(检测器效率为100%)。如果将系统重复频率升级到1GHz，用于京沪干线等长距离量子通信网络，300公里的比特率可达5kbps，这将大大减少骨干光纤量子通信网络中可信中继的数量，大大提高光纤量子保密通信网络的安全性。