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科技日報記者 吳長鋒
記者27日從中國科學技術大學獲悉，該校潘建偉、張強等與清華大學王向斌、濟南量子技術研究院劉洋、中國科學院上海微系統與信息技術研究所尤立星、張偉君等合作，通過發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，實現了光纖中1002公里點對點遠距離量子密鑰分發，不僅創下了光纖無中繼量子密鑰分發距離的世界紀錄，也提供了城際量子通信高速率主干鏈路的方案。相關研究成果日前發表在《物理評論快報》上。
量子密鑰分發（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，結合“一次一密”的加密方式，進而可實現最高安全性的保密通信。然而，量子密鑰分發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（TF-QKD）協議利用單光子干涉的特性，將成碼率與距離的關系從一般量子密鑰分發的線性關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“發送-不發送”雙場量子密鑰分發協議，該協議在現實條件下有效地提升量子密鑰分發系統工作距離。為了進行極遠距離的量子密鑰分發，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”技術的超低損光纖，實現低于0.16分貝每公里的量子信道光纖鏈路。中國科學院上海微系統與信息技術研究所發展了極低噪聲超導單光子探測器，通過在40開爾文和2.2開爾文溫區進行多級濾波抑制熱輻射引起的暗計數，將單光子探測器的噪聲降低至0.02個每秒。
研究團隊還發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拉曼散射等噪聲影響，將鏈路噪聲降低至0.01赫茲以下。
在上述技術發展的基礎上，該工作實現了最遠達1002公里的雙場量子密鑰分發，獲得0.0034比特每秒成碼率。對系統參數進行優化后，在202公里光纖距離下獲得47.06千比特每秒成碼率，并且在300公里和400公里光纖距離下，獲得的成碼率相較原始“測量器件無關”量子密鑰分發提高了6個數量級。該工作得到審稿人的高度評價，認為這項工作是“該領域極其重要的進展，量子密鑰分發技術新的里程碑”
研究人員介紹，該工作不僅驗證了極遠距離下雙場量子密鑰分發方案的可行性，也驗證了在城際光纖距離下，采用該協議可以實現高成碼率的量子密鑰分發，適合城際量子通信主干鏈路使用。
（中國科大供圖）
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