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據(jù)中國科學技術大學網(wǎng)站消息，近日，中國科學技術大學教授潘建偉及其同事張強、劉洋與清華大學王向斌、中科院上海微系統(tǒng)所尤立星等人合作，在發(fā)展快速高穩(wěn)定性激光頻率鎖定技術與高計數(shù)率低噪聲單光子探測器的基礎上，在300公里真實環(huán)境的光纖中實現(xiàn)了雙場量子密鑰分發(fā)實驗。相關研究成果于9月5日（北京時間）在線發(fā)表在國際權威學術期刊《物理評論快報》雜志上（Phys. Rev. Lett. 123, 100505 (2019)）。這項成果不僅完整實現(xiàn)了300公里的雙場量子密鑰分發(fā)，也驗證了700公里以上光纖遠距離量子密鑰分發(fā)的可行性，有望成為新一代遠距離城際量子密鑰分發(fā)的基礎。

“發(fā)送-不發(fā)送”雙場QKD示意圖

量子密鑰分發(fā)（QKD）可以在用戶間進行非常高安全性的密鑰分發(fā)，進而實現(xiàn)最高安全性的保密通信，具有非常重要的理論和現(xiàn)實意義。但是限于通信光纖的損耗和探測器的噪聲等原因，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)通常只能在100公里內獲得較高成碼率。目前安全性最高的測量設備無關的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，最遠成碼距離是潘建偉團隊于2016年實驗實現(xiàn)的404公里。最近，英國東芝公司的科學家提出了一種新型的量子密鑰分發(fā)方案：雙場量子密鑰分發(fā)（Twin-Field QKD）方案，巧妙地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(fā)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(fā)方案的成碼距離，并且理論上可以獲得遠高于一般量子密鑰分發(fā)方案的成碼率，為遠距離、高性能量子密鑰分發(fā)提供了新的方向。

然而，實驗實現(xiàn)雙場量子密鑰分發(fā)方案的條件極其苛刻。該方案利用單光子干涉，為了保證干涉的穩(wěn)定性，需要通信雙方獨立光源的波長差不能高于10 kHz的水平（比光子本身的頻率低10個量級），并且在經(jīng)過百公里以上的傳輸后需要控制光纖引起的相位差不高于0.3弧度（需要遠小于光子波長）。

本研究中，王向斌教授提出了基于“發(fā)送-不發(fā)送”的雙場量子密鑰分發(fā)方案，大大提高了對相位噪聲的容忍能力并嚴格證明了安全性；潘建偉、張強實驗小組發(fā)展了高速高穩(wěn)定性的相位鎖定技術、高性能調制與鏈路相位估計方案，利用中科院上海微系統(tǒng)所研制的低噪聲超導納米線單光子探測器，實現(xiàn)了雙場量子密鑰分發(fā)方案的實驗驗證。本研究在現(xiàn)實環(huán)境下相位劇烈變化的300公里光纖信道上，實現(xiàn)了雙場量子密鑰分發(fā)，在考慮統(tǒng)計漲落及有限長度分析等重要理論要求后，在300公里處，密鑰生成率達到2016年實驗的50倍，并打破了一般無中繼量子密鑰分發(fā)方案的最高成碼率理論極限。同現(xiàn)有已發(fā)表的雙場QKD實驗相比，本研究是唯一的考慮了有限碼長效應的實驗。此外，聯(lián)合團隊也分析了在提高探測器性能等條件下，該方案可以進行超過700公里的遠距離量子密鑰分發(fā)。

本工作驗證了遠距離雙場量子密鑰分發(fā)方案的可行性，證明該方案具有遠距離、高成碼率等性能，非常適合在城際量子密鑰分發(fā)主干鏈路使用。該工作被《物理評論快報》審稿人評論為“實用雙場量子密鑰分發(fā)的重要里程碑”，被《物理評論快報》選為“編輯推薦”論文，并被美國物理學會的Physics雜志進行了專題亮點報道。

上述研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、教育部、中國科學院、安徽省和濟南市的支持。