新世界纪录：中国科大成功实现 500 公里量级现场无中继光纤量子密钥分发

来自中国科大的消息显示，近日，中国科大教授潘建伟及其同事张强、陈腾云与济南量子技术研究院王向斌、刘洋等合作，利用中科院上海微系统所尤立星小组研制的超导探测器，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技术，分别采用激光注入锁定实现了 428 公里双场量子密钥分发（TF-QKD），同时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。

其中，量子不可克隆原理保证了 QKD 的无条件安全性，而未知量子态的不可克隆性，也使得 QKD 不能像经典光通信那样，通过光放大对传输进行中继，因此实际应用中 QKD 的传输距离受到光纤损耗的限制。

同时，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，所以特别适合远距离 QKD。

据了解，此前，潘建伟团队已在实验室内实现超 500 公里 TF-QKD 的验证。然而，实际场景和实验室环境还是区别很大的，在实际场景下实现 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；

・由于昼夜温度起伏引起的热胀冷缩效应，现场光缆一天的长度变化总量，比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；

・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%；

・除此之外，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。

潘建伟团队基于王向斌提出的 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；随后，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，研究团队精心设计了 QKD 光源的波长，并通过窄带滤波将串扰噪声滤除；最后结合中科院上海微系统所研制的高计数率低噪声单光子探测器，在现场将无中继光纤 QKD 的安全成码距离推至 500 公里以上。

该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。

其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。

除此之外，上述的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铺平了道路。