研究背景

量子密钥分发技术基于量子物理，可以实现安全的密钥分发。近些年，针对量子分发研究的一个重点问题，是如何提高点对点量子密钥分发的工作距离。与经典通信不同，由于量子密钥分发利用单光子信号传递量子态，因此不能采用光放大器等设备对信号进行放大。因此，点对点量子密钥分发的距离严重受限于随距离指数增加的光纤损耗。最近提出的双场量子密钥分发协议大大提升了量子密钥分发的工作距离，可实现类似采用单个量子中继的密钥分发性能。以往工作已经在实验室实现了最远1002公里光纤距离的量子密钥分发，但在这个极限距离下的密钥分发，做了渐进极限的假设。现实条件下，由于可采集的数据长度一定是有限的，因此必须考虑有限码长等效应，才能保证最终分发密钥的安全性。

研究进展

济南量子技术研究院王向斌教授、张强教授、刘洋研究员联合中国科学技术大学潘建伟院士和中国科学院上海微系统研究所尤立星研究院所组成的研究团队，采用低串扰相位参考信号控制、极低噪声单光子探测器等技术，在考虑有限码长效应条件下，实现了1002公里光纤距离的量子密钥分发。该工作不仅创造了现实数据长度条件量子密钥分发距离的世界纪录，通过性能优化，也提供了城际量子通信高速率主干链路的方案。 

为了进行极远距离的量子密钥分发，本工作采用基于时分复用的双波长相位估计方案，可避免同波长参考光引起的二次瑞利散射噪声、不同波长参考光引起的自发拉曼散射噪声等影响，将链路噪声降低至0.01 Hz以下。采用极低噪声超导单光子探测器。该探测器在40 K和2.2 K温区进行了多级滤波，抑制热辐射引起的暗计数噪声，将单光子探测器的暗计数噪声降低至0.02 cps。采用基于“纯二氧化硅纤芯”技术的超低损光纤作为量子信道，实现低于0.16 dB/km的光纤损耗。本工作采用三强度“发与不发”双场量子密钥分发协议与主动奇校验配对方法，在1002公里实验室光纤中，实现了考虑有限码长效应的双场量子密钥分发，最终获得了每脉冲  的安全成码率。 

在202公里到505公里的城际光纤距离条件下，本工作根据光纤损耗进行了信号态与诱骗态光强、时间占空比等参数进行了优化。通过降低相位参考脉冲的时间占空比、提高时间滤波时间窗口的方式，提升系统有效工作频率至900 MHz。同时，采用具有10 Hz左右较高暗计数噪声，但探测效率高于80%的单光子探测器，进行高性能的信号态探测。最终，在202公里、303公里、404公里、505公里分别获得111.74 kbps、23.44 kbps、2.80 kbps、338 bps的成码率。该工作验证了城际距离的光纤长度条件下，双场量子密钥分发协议的仍具备较高的安全成码率。

研究亮点

1. 在最远1002公里实验室光纤中，验证了考虑有限码长效应条件下，实现双场量子密钥分发的可行性。创造了考虑现实数据长度条件下，光纤无中继量子密钥分发距离的世界纪录。

 2. 通过对202公里到505公里等较短距离的信号态光强、时间占空比等参数进行优化，实现较高成码率。例如，在202公里获得111.74 kbps成码率。验证了在城际距离条件下，该协议的现实可用性。 

图文导读

图1：实验装置。位于Charlie的种子光源（ =1548.51 nm,  =1550.12 nm）通过PDH锁定到Charlie本地的超稳腔。随后，Charlie将两束种子光经由总长度共900 km的单模光纤发送到Alice和Bob，作为输入种子光源。Alice和Bob本地产生波长为 的激光，通过光学锁相环锁定到Charlie发送的种子光，作为量子态光源。Alice和Bob采用与量子态相同的波长，通过时分复用的方式调制产生“弱相位参考”。 Alice和Bob将Charlie发送的波长为的激光作为“强相位参考”信号，通过波分复用的方式与量子态信号在量子芯道中复用传输。经过强度、相位等调制器对“强、弱相位参考”信号、量子态等编码之后，Alice和Bob分别将信号通过量子信道发送到Charlie进行干涉与探测。

图2：Alice和Bob调制的脉冲序列。图2(a)，波长为 的激光在每100 ms周期内，包含前40 ms的“弱相位参考”信号与后60 ms的量子态信号；图2(b)，波长为 的激光在每1 µs周期内，前400 ns用于“弱相位参考”信号，后600 ns用于量子态信号；实验中，仅保留在100 ms周期的前40 ms内，且在1 µs周期内前400 ns的探测信号为“弱相位参考”；每100 ms周期的后60 ms内，且在1 µs周期内后600 ns的探测信号为量子态测量结果；图2(c)，波长为 的激光在每1 µs周期内，前400 ns用于“强相位参考”信号，后600 ns调制消光，以避免对量子态信号产生的非线性噪声干扰。

图3：实验结果。“+”形状符号为针对极限距离SNS-TF-QKD优化参数的实验结果‘实验中在1002 km的光纤距离条件，在考虑有限长度效应条件下，实现了0.0011 bps的成码率。“x”形状符号为针对城际距离SNS-TF-QKD优化参数的实验结果；实验中在202公里、303公里、404公里、505公里光纤距离条件下，分别获得111.74 kbps、23.44 kbps、2.80 kbps、338 bps的成码率。

来源：量子前沿公众号

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/D5fMt5GuP9PB9em7Hfldog