潘建伟团队再创世界纪录！成功实现500公里现场无中继光纤量子密钥分发 | 专访
“我认为，他们在把在实验室里行得通的东西变成在实地行得通的东西做得很好。”谈及中国于近日实现 511 公里的双场量子密钥分发，英国国家量子技术计划领导团队成员、英国苏塞克斯大学 (University of Sussex) 实验物理学研究教授彼得・克鲁格 (Peter Kruger) 这样告诉媒体。
日前，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心潘建伟、张强、陈腾云，联合济南量子技术研究院王向斌、刘洋等合作者，分别利用激光注入锁定和用时频传递技术作为光源，实现了 428 公里与 511 公里的双场量子密钥分发（TF-QKD）。
图 | 428 公里双场量子密钥分发（来源：Physical Review Letters）
图 | 511 公里 “发送 - 不发送” 双场量子密钥分发 (SNS-TF-QKD）的现场部署（来源：Nature Photonics）
值得注意的是，此前东芝欧洲公司在英国剑桥进行的一项实验中，展示了使用相同协议的 600 公里链路长度的量子密钥分发，但其实验中设备全部安装在一个实验室中，并且其通信长度在此后的实验中可能很难得到拓展。
此次，中国研究团队实现的远距离量子通信实验，是目前传输距离最远的现场无中继光纤量子密钥分发实验。在该实验前，最远的现场光纤量子密钥分发距离约为 100 公里左右。
研究中，中国团队采用中科院上海微系统所研究员尤立星教授小组研发的超导纳米线单光子探测器，基于 “济青干线” 现场光缆，突破了远距离现场光纤中高性能单光子干涉技术。
目前，该成果已得到 New Scientist 的报道，其中前文的彼得・克鲁格这样评价该成果的难度：“对于量子纠缠来说，在实验室的实验中，我们可以严格控制实验条件，避免轻微的环境扰动对实验产生影响，比如说话等。但是，很明显在实际应用中，环境条件往往是不可控的，这是实验面临的多项挑战之一。因此，在数百公里范围内实现单光子实验是相当了不起的。”
图 | 相关报道（来源：New Scientist）
据了解，相关论文分别以《相距 511 公里城市间的双场量子密钥分发实验》和《428 公里距离的双场量子密钥分发现场测试》为题，分别发表在 Nature Photonics 和 Physical Review Letters 上。
图 | 相关论文（来源：Physical Review Letters、Nature Photonics）
其实，本次研究的另一个重点就是远距离和无中继。世界上很多量子通信的实验都采用了光纤作为物理通信链路，采用光子作为信息载体，但是光子在光纤中传输存在一个避不开的物理问题 —— 衰减 —— 光子的能量会在传输中以指数形式衰减。
解决方案之一就是在传输的过程中加入可以对信号放大的中继站，这是与传统通信行业相类似的操作，但是中继的加入也会带来一些麻烦，例如光子量子相干性的保证、中继站设备的设计和维护等等。
所以此次研究等于开辟了另外一条赛道，用无中继的方式实现远距离的量子纠缠通信，他们选择了量子密钥分发。
把两个独立激光器的波长锁定为相同，并开发出实时补偿系统
本次论文提到，量子密钥分发的无条件安全性，受到量子不可克隆原理的保证，就像在森林中找不到相同的两片树叶那样神奇。
但是，未知量子态的不可克隆的性质，也导致量子密钥分发无法像经典光通信那样，利用光放大器或中继站对信号进行放大和中继，根据海森堡不确定原理，这些操作都会对光子的量子态产生影响。所以在实际应用中，光纤损耗会直接限制量子密钥分发的传输距离。
传统量子密钥分发协议成码率随信道透过率线性下降，而本次实验采用了双场量子密钥分发协议，其成码率随信道透过率的平方根尺度下降，因此非常适合远距离量子密钥分发。
其原理简单来讲，在 TF-QKD 的实验中，假如“张三”和“李四”分别代表通信的两端，他们各自用秘密比特和基矢进行相位编码，产生具有量子态的光子，并一起发送给中间的“王五”进行干涉测量。
而实验中，我们协议规定只有当“张三”和“李四”发送的光子的处于相位分别处在正关联或者反关联时，“王五”会产生有效响应。但是除了“张三”和“李四”之外，谁都无法知道他们发送的光子的状态，就连“王五”也不知道。
就像大型的相亲会，只有感觉对的那一对男女才会有来有往的聊天，而主办方只能知道他们来电了，并不知道私聊的内容。如此一来，光子传输的距离在理论上就能翻倍了。
尽管此前在实验室内，潘建伟团队已实现 500 多公里的双场量子密钥分发的验证，创造了一个可以建立量子密钥的链接，不过采用的其核心技术并不是量子纠缠。而在实际场景的存在多扰动的环境下，仍然难以实现双场量子密钥分发，并且无中继实现远距离量子密钥分发实属不易。
（来源：受访者）
另一个需要克服的难题在于，在实验室内温度、振动以及人类噪音可以进行比较有效隔离，但在现场环境中，无法避免以上因素对信道的影响。
这是因为在现场光缆条件下，昼夜温差起伏会引起热胀冷缩，现场光缆一日内的长度变化总量，超出实验室光纤两个数量级。
而且，现场光缆的损耗也比实验室光纤的更大，就算给现场光缆各个连接点做优化，其损耗仍然高出实验室光纤约 10%。
另外，现场光缆中部分纤芯会承载经典通信的业务，在同一光缆中不同光纤传输的信号也会产生相应的相互串扰，由此带来的噪声，超出单光子探测器的本底噪声两个数量级以上。
基于此，该团队基于济南量子技术研究院王向斌提出的 SNS-TF-QKD（“发送 - 不发送” 双场量子密钥分发）协议，对时频传输技术和激光注入锁定技术做了相应发展，把间隔几百公里的两个独立激光器的波长锁定为相同，再针对链路环境开发出光纤长度以及偏振变化的实时补偿系统。
另据悉，他们还就现场光缆中其他业务的串扰，设计量子密钥分发光源的波长，并通过使用窄带滤波、时间滤波等技术降低串扰噪声的影响。
（来源：受访者）
在现场光缆中，结合中科院上海微系统所的高计数率低噪声单光子探测器，最终把无中继光纤量子密钥分发的安全成码距离提升至 500 公里以上。
为实现长距离光纤量子网络铺平道路
概括来说，该成果创造了现场光纤无中继量子密钥分发最远距离新纪录，在 500 公里以上的光纤成码率中，打破了传统无中继量子密钥分发所限定的成码率极限，获得高于理想的探测装置（探测器效率为 100%）的无中继量子密钥分发成码率上限，并在实际环境中证明了双场量子密钥分发的可行性，为实现长距离光纤量子网络铺平道路。
对于可能的具体应用，张强告诉 DeepTech：“现场条件下远距离量子密钥分发的实验验证，为未来远距离量子密钥分发的网络提供了技术基础。我们发展的技术也可能在相关领域获得应用。”
图 | 张强（来源：受访者）
谈及研究中难忘的事，他表示，我们进行现场密钥分发实验，遇到了很多实验室中不曾面对的困难；在链路协调、光纤优化，解决环境干扰、串扰及散射噪声等方面，付出了大量努力后，才具备稳定的实验条件，进行真正的实验测试。
对于未来的研究，他表示，实验室期望继续发展相应技术，进一步进行工程化研究，也期望实验室取得的研究成果在现实的量子密钥分发网络中得到进一步的应用。
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