潘建伟团队又创世界纪录!实现500公里量级现场光纤量子通信

明敏发自凹非寺 量子位报道公众号 QbitAI

突破 500 公里量级!

中科大潘建伟在现场远距离量子通信上又创造了新的世界纪录。

目前,相关研究成果已分别发表于国际著名学术期刊《物理评论快报》和《自然·光子学》。

而且这次传输不是在实验室条件下,而是基于“济青干线”现场光缆这种实际场景中。

在无中继的条件下,克服了各种干扰,实现了 428 公里和 511 公里的远距离传输。

看到这里,除了“牛”还能说什么!

据悉,该研究由中国科学技术大学教授潘建伟及其同事张强、陈腾云与济南量子技术研究院王向斌、刘洋等合作开展。

此前,潘建伟教授还带队参与了“墨子号”量子科学实验卫星的研究工作。

网友看到后不禁感叹:

潘建伟团队不愧是量子通信领头羊!

远距离、无中继

说了这么多,这项研究到底厉害在哪里呢?

因为量子的不确定性、测量坍缩和不可克隆原理,量子通信是一种无法被窃听和计算破解的新型通信方式。

虽然非常安全,但是量子在光纤中传输有着指数级的损耗,经过 50 公里的光纤传输,信号将衰减至最初的十亿亿分之一。

而且量子的“不可克隆”原理,使得量子通信不能像传统光通信那样,通过中继放大信号。

因此,量子通信的光纤传输距离受到很大的限制。

目前,量子通信主要有两种方式:量子隐形传态和量子密钥分发。

在中科大的研究中,就是应用了后者。

但是限于通信光纤的损耗和探测器的噪声等原因,量子密钥分发系统通常只能在 100 公里内获得较高成码率。

在这样的情况下,研究人员使用了一种名为双场量子密钥分发(Twin-Field QKD,TF-QKD)的新型技术。

该技术巧妙地利用了单光子干涉的特性,将成码率与距离的关系从一般量子密钥分发的线性关系提升至平方根的水平。

因此可以获得远超过一般量子密钥分发方案的成码距离,并且理论上可以获得远高于一般量子密钥分发方案的成码率,为远距离、高性能量子密钥分发提供了新的方向。

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,但是在实际场景中的应用却十分困难。

因为它的条件极其苛刻。

该方案利用单光子干涉,为了保证干涉的稳定性,需要通信双方独立光源的波长差不能高于 10 kHz 的水平(比光子本身的频率低 10 个量级),并且在经过百公里以上的传输后需要控制光纤引起的相位差不高于 0.3 弧度(需要远小于光子波长)。

这使得在实际应用场景中,声音、震动、温度等等因素的变化都会产生干扰。

为此,潘建伟团队在连接山东济南与青岛的“济青干线”现场光缆上,基于王向斌提出的 SNS-TF-QKD(“发送-不发送”双场量子密钥分发)协议,发展了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;

最后结合中科院上海微系统所研制的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。

团队介绍

此次研究中的两个团队,都是我国量子通信研究的领头羊。

潘建伟,中国科学技术大学常务副校长,中国科学院量子信息与量子科技创新研究院院长,中国科学院院士。

早在 2003 年,他就开始探索在自由空间实现更远距离的量子通信,提出了利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案。

之后还带领团队参与“墨子号”量子科学实验卫星的研发工作。

张强,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室教授,济南量子技术研究院执行院长。

研究领域为量子密码和量子通信实验研究,核心器件研制和时间频率传输。

王向斌,济南量子技术研究院院长,2006 年起在清华大学物理系担任教授、博导,清华大学密码理论中心副主任。

其研究领域为量子信息理论。

近年来,他带领团队不断刷新光纤量子通信传输距离。

去年,济南量子技术研究院率先实现了 509 公里真实环境光纤的双场量子密钥分发。

参考链接:

[1]http://news.ustc.edu.cn/info/1055/75661.htm

[2]http://www.xinhuanet.com/2021-06/24/c_1127594639.htm

[3]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1660134336960003595&wfr=spider&for=pc

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