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我成功实现500公里现场无中继光纤量子密钥分发

2021-06-24 14:54:36      点击:737    评论:0      来源:科技日报

记者从中国科学技术大学获悉,该校潘建伟院士及其同事张强、陈腾云与济南量子技术研究院王向斌、刘洋等合作,利用中科院上海微系统所尤立星小组研制的超导探测器,基于“济青干线”现场光缆,突破现场远距离高性能单光子干涉技术,分别采用激光注入锁定实现了428公里双场量子密钥分发(TF-QKD),同时利用时频传递技术实现了511公里TF-QKD,是目前现场无中继光纤QKD(量子密钥分发)最远的传输距离。相关研究成果日前分别发表于国际著名学术期刊《物理评论快报》(被选为编辑推荐文章)和《自然·光子学》上。

由于未知量子态的不可克隆性,也使得QKD不能像经典光通信那样,通过光放大对传输进行中继,因此实际应用中QKD的传输距离受到光纤损耗的限制。相比传统协议,TF-QKD协议具有密钥率随信道透过率的平方根尺度下降的优势,所以特别适合远距离QKD。此前,潘建伟团队已经在实验室内实现超过500公里TF-QKD的验证,然而,在实际场景的苛刻环境下实现TF-QKD是极其困难的。实验室内温度、振动以及人活动引起的声音等噪声都可以被有效隔离,但现场环境中这些是不可避免的。

科研人员基于此前提出的发送-不发送”双场量子密钥分发协议,发展时频传输技术和激光注入锁定技术,将现场相隔几百公里的两个独立激光器的波长锁定为相同;再针对现场复杂的链路环境,开发了光纤长度及偏振变化实时补偿系统;此外,对于现场光缆中其他业务的串扰,精心设计了QKD光源的波长,并通过窄带滤波将串扰噪声滤除;最后结合高计数率低噪声单光子探测器,在现场将无中继光纤QKD的安全成码距离推至500公里以上。

这些研究成果成功创造了现场光纤无中继QKD最远距离新的世界纪录,在超过500公里的光纤成码率打破了传统无中继QKD所限定的成码率极限,即超过了理想的探测装置(探测器效率为100%)下的无中继QKD成码极限,并在实际环境中证明了TF-QKD的可行性,为实现长距离光纤量子网络铺平了道路。

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