日前，济南量子技术研究院王向斌、张强、周飞、刘洋等研究人员与中国科大合作，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关键技术，采用2种不同技术方案分别实现500公里量级双场量子密钥分发（TF-QKD）:采用激光注入锁定实现了428公里TF-QKD，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最远的传输距离。相关研究成果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，并被APS下属网站Physics SYNOPSIS栏目和英国《新科学家》报道。

QKD与经典光通信通过光放大进行中继传输不同，传输距离受限于光纤损耗。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，适合远距离QKD。此前，济南量子技术研究院团队已经在实验室内实现超过500公里TF-QKD，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。因昼夜温度起伏引起光缆热胀冷缩，导致其长度变化总量比在实验室光纤高两个数量级，相应的长度和偏振变化速率，也比实验室光纤快两到三个数量级；并且现场光缆的损耗要高于实验室光纤，即使对现场光缆的各个连接点进行优化，损耗依然比实验室光纤高约10%；此外，由于现场光缆每根纤芯承载着不同的业务，同一光缆中的不同光纤所传输的信号会产生一定程度的相互串扰，这种串扰引起的噪声，比单光子探测器的本底噪声高两个数量级以上。

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；最终在现场将无中继光纤QKD的安全成码距离推至500公里以上。

上述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。上述工作在实际环境中证明了TF-QKD的可行性，并为实现长距离光纤量子网络奠定了基础。

该工作得到了山东省泰山学者、山东省优秀青年基金、济南市和济南高新区管委会的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.250502

https://www.nature.com/articles/s41566-021-00828-5

自2011年建院之日起，济南量子技术研究院就一直致力于实用化量子通信理论和技术研究。基于理论的不断完善和技术的不断创新，首次在实验室实现TF-QKD，相继创造了404公里、509公里点对点光纤量子密钥分发最远传输距离世界记录。

未来，济南量子技术研究院将借助国际、国内标准化平台，推动量子保密通信从实用化全面步入产业化阶段，加速构建实用化天地一体化广域量子通信网络，助力济南培育千亿级量子信息产业。