光子盒研究院出品
2月18日，北京量子信息科學(xué)研究院袁之良團隊，利用光頻梳技術(shù)首次實現(xiàn)開放式架構(gòu)雙場量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，完成615公里光纖量子密鑰分發(fā)實驗。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》（Nature Communications）上[1]。
2012年，多倫多大學(xué)的H. K. Lo等人提出了測量設(shè)備無關(guān)（Measurement-Device-Independent, MDI）的QKD協(xié)議，可以消除探測器側(cè)信道漏洞，同時可以極大的增大通信距離。
在MDI-QKD中發(fā)送方Alice和接收方Bob分別隨機制備BB84弱相干態(tài)，然后發(fā)送給一個不可信的第三方Charlie進行貝爾態(tài)測量，根據(jù)Charlie公布的貝爾態(tài)測量結(jié)果Alice和Bob建立安全的密鑰。
綜合真實環(huán)境里的安全性以及傳輸距離，MDI-QKD是目前最優(yōu)的遠(yuǎn)距離光纖量子密鑰分發(fā)方案。但是MDI-QKD也有缺點。
傳統(tǒng)MDI-QKD采用雙光子符合事件作為有效探測事件，即接收方Charlie每產(chǎn)生一次用來成碼的有效探測需要消耗兩個光子，其安全成碼率隨著信道衰減線性下降，因此，在無量子中繼的情形下，傳統(tǒng)MDI-QKD的安全成碼率是無法突破線性成碼極限的。
如果能做到每次用來成碼的有效探測所消耗的光子數(shù)比傳統(tǒng)MDI-QKD更少，那么就可以在相同的信道損耗下獲得比傳統(tǒng)MDI-QKD更多的有效探測，從而獲得比線性成碼極限更高的成碼率。這就是雙場量子密鑰分發(fā)（TF-QKD）方案。
TF-QKD是利用單光子干涉作為有效探測事件的MDI-QKD。接收方Charlie每產(chǎn)生一次用來成碼的有效探測只需要消耗一個光子，比傳統(tǒng)MDI-QKD探測消耗的光子少一個，從而使其安全成碼率提升至隨信道衰減的平方根下降。
因此，在長距離傳輸情形下，TF-QKD較傳統(tǒng)MDI-QKD具有更高的成碼率以及更遠(yuǎn)的成碼距離，甚至可以在無量子中繼的情形下輕松突破量子密鑰分發(fā)的成碼率線性極限。
a）傳統(tǒng)測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)；b）雙場量子密鑰分發(fā)。來源：墨子沙龍
2020年3月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團隊與清華大學(xué)、山東濟南量子技術(shù)研究院等機構(gòu)合作，突破了遠(yuǎn)距離獨立激光相位干涉技術(shù)，實現(xiàn)了500公里量級真實環(huán)境光纖的雙場量子密鑰分發(fā)（TF-QKD）。隨著東芝實現(xiàn)600公里雙場量子密鑰分發(fā)[2]，創(chuàng)造了新的記錄：值得注意的是，創(chuàng)造這一紀(jì)錄的也是袁之良團隊。
在這一最新進展之前，去年英國電信和東芝宣布部署英國首個工業(yè)量子安全網(wǎng)絡(luò)。在英國國家復(fù)合材料中心(NCC)和英國建模與仿真中心(CFMS)之間傳輸數(shù)據(jù)，東芝的多路復(fù)用兼容性允許數(shù)據(jù)和量子密鑰在同一光纖上傳輸，消除了對昂貴的密鑰分發(fā)專用基礎(chǔ)設(shè)施的需求。
多路復(fù)用QKD利用現(xiàn)有的短距離基礎(chǔ)設(shè)施和長距離的雙場QKD技術(shù)的結(jié)合，為商業(yè)上可行的全球量子安全網(wǎng)絡(luò)鋪平了道路。
雙場協(xié)議的實現(xiàn)需要兩個異地的獨立激光源在第三方遠(yuǎn)程節(jié)點處實現(xiàn)穩(wěn)定的單光子干涉，但通信雙方激光源的微小頻差與長距離光纖造成的快速相位漂移都對干涉有重要影響。目前，傳統(tǒng)的方案是在遙遠(yuǎn)兩地間架設(shè)服務(wù)光纖作為傳輸媒介，然后通過時頻傳輸或者光學(xué)鎖相環(huán)等技術(shù)，完成兩地激光源的頻率鎖定，這種閉合光纖架構(gòu)（見圖a）非常不利于多節(jié)點的廣域量子保密網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
a）傳統(tǒng)閉合光纖架構(gòu)；b）北京量子院研發(fā)的開放式架構(gòu)
實驗裝置
袁之良團隊基于自主開發(fā)的相干邊帶穩(wěn)相與異地激光源頻率校準(zhǔn)技術(shù)，研制出首個開放式架構(gòu)、無需服務(wù)光纖的新型雙場量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)（見圖b），實現(xiàn)了低損耗光纖四百公里級、五百公里級、六百公里級的安全成碼，并且打破無中繼量子密鑰分發(fā)的碼率界限，還成功演示了臂長差為百公里的量子密鑰分發(fā)實驗（目前最長臂長差記錄）。
相較之前的實驗成果，量子信號光的相位漂移速率降低1000多倍，大大降低相位參考光的噪聲影響，有助于光纖量子密鑰分發(fā)距離向千公里級別突破。基于光頻梳的開放式架構(gòu)有利于未來構(gòu)建多用戶多節(jié)點的城際量子保密網(wǎng)絡(luò)，并對基于單光子干涉的分布式量子網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。
不僅是北京量子院的首席科學(xué)家，2022年11月底，袁之良還因“在量子保密通信領(lǐng)域杰出和持續(xù)的貢獻”而當(dāng)選了美國光學(xué)學(xué)會會士[3]。
袁之良于2021年4月回國全職加入量子院，領(lǐng)導(dǎo)光量子通信與器件團隊從事量子通信核心技術(shù)和關(guān)鍵器件的研發(fā)，提出并實現(xiàn)世界首個無需光頻異地傳輸?shù)碾p場量子密鑰分發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了600km新型雙場量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。
袁之良長期致力于高速光纖量子密鑰系統(tǒng)研究，先后演示了世界上第一個百公里（2003）、第一個兆比特(2008)、第一個十兆比特和第一次突破600公里（2020）量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。其他代表性成果主要有：首次演示單光子發(fā)光二極管（2001），自差分單光子探測器（2006），直接相位調(diào)制量子通信用光源（2015）和量子密鑰雙場協(xié)議（2017）。相關(guān)研究成果在Nature, Nature Photonics和Science等國際知名期刊上已發(fā)表論文130余篇。
參考鏈接：
[3]https://mp.weixin.qq.com/s/ILA1TRXq72lLtzHRlKQNOA?scene=25#wechat_redirect
