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天天速遞!新里程碑!我國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)千公里無中繼光纖量子密鑰分發(fā)

來源:央廣網(wǎng)2023-05-28 15:52:21


(資料圖片)

央廣網(wǎng)北京5月28日消息 近日,中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉等,通過發(fā)展低串?dāng)_相位參考信號(hào)控制、極低噪聲單光子探測(cè)器等技術(shù),實(shí)現(xiàn)了光纖中1002公里點(diǎn)對(duì)點(diǎn)遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā),不僅創(chuàng)下了光纖無中繼量子密鑰分發(fā)距離的世界紀(jì)錄,也提供了城際量子通信高速率主干鏈路的方案。相關(guān)研究成果于5月25日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》雜志。

量子密鑰分發(fā)(QKD)基于量子力學(xué)基本原理,可以在用戶間進(jìn)行安全的密鑰分發(fā),結(jié)合“一次一密”的加密方式,進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)最高安全性的保密通信。然而,量子密鑰分發(fā)的距離一直受到通信光纖的固有損耗和探測(cè)器噪聲等因素的限制。雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)(TF-QKD)協(xié)議利用單光子干涉的特性,將成碼率與距離的關(guān)系從一般量子密鑰分發(fā)的線性關(guān)系提升至平方根的水平,因此可以獲得遠(yuǎn)超過一般量子密鑰分發(fā)方案的成碼距離。

在這項(xiàng)工作中,研究團(tuán)隊(duì)采用了王向斌等提出的“發(fā)送-不發(fā)送”雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議,該協(xié)議在現(xiàn)實(shí)條件下可以有效地提升量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)工作距離。為了進(jìn)行極遠(yuǎn)距離的量子密鑰分發(fā),研究團(tuán)隊(duì)與長(zhǎng)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(shù)的超低損光纖,實(shí)現(xiàn)低于0.16dB/km的量子信道光纖鏈路。中科院上海微系統(tǒng)所發(fā)展了極低噪聲超導(dǎo)單光子探測(cè)器,通過在40K和2.2K溫區(qū)進(jìn)行多級(jí)濾波抑制熱輻射引起的暗計(jì)數(shù),將單光子探測(cè)器的噪聲降低至0.02cps。研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)展了時(shí)分復(fù)用的雙波長(zhǎng)相位估計(jì)方案,避免了同波長(zhǎng)參考光二次瑞利散射、不同波長(zhǎng)參考光自發(fā)拉曼散射等噪聲影響,將鏈路噪聲降低至0.01Hz以下。

在上述技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上,該工作實(shí)現(xiàn)了最遠(yuǎn)達(dá)1002 km的雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā),獲得0.0034 bps成碼率。對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后,在202 km光纖距離下獲得47.06 kbps成碼率,并且在300km和400 km光纖距離下,獲得的成碼率相較原始“測(cè)量器件無關(guān)”量子密鑰分發(fā)提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)。該工作不僅驗(yàn)證了極遠(yuǎn)距離下雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)方案的可行性,也驗(yàn)證了在城際光纖距離下,采用該協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)高成碼率的量子密鑰分發(fā),適合城際量子通信主干鏈路使用。該工作得到了審稿人的高度評(píng)價(jià),認(rèn)為這項(xiàng)工作是“該領(lǐng)域極其重要的進(jìn)展,量子密鑰分發(fā)技術(shù)新的里程碑 ”。

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