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中国科大在量子通信领域取得重要进展:首次在自由空间信道实现测量设备无关量子密钥分发实验 [2019-12-25]

近日,我校潘建伟及其同事彭承志、张强等与清华大学王向斌,中科院上海微系统所尤立星等人合作,首次在国际上实现了基于远距离自由空间信道的测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)实验。相关成果于2020年12月23日以编辑推荐(Editors' Suggestion)的形式在线发表在《物理评论快报》上(Phys. Rev. Lett. 125, 260503 (2020))。美国物理学会Physics网站以“量子物理保证无线通信安全 ”(Securing a Wireless Link with Quantum Physics)为题专门对该工作做了报道。这项成果不仅实现了将MDI-QKD从光纤信道拓展到自由空间信道的突破,也开启了在自由空间信道中实现基于远距离量子干涉的更复杂的量子信息处理任务的可能。

MDI-QKD协(xie)议利用双光(guang)子干(gan)涉技术(shu)消除了探测端的所有(you)安全(quan)漏洞,无需(xu)对测量端的量子设备进行(xing)任何(he)安全(quan)性(xing)假(jia)设,被认为是各(ge)种量子密钥(yao)分发协(xie)议中的最佳候选(xuan)协(xie)议之一(yi)(yi)。自2012年(nian)首次提出以来(lai),MDI-QKD协(xie)议已(yi)在(zai)光(guang)纤(xian)(xian)信(xin)道(dao)上得到快速发展,在(zai)距离更远(yuan)、密钥(yao)速率(lv)更高(gao)和(he)网络验证(zheng)等方向取得了一(yi)(yi)系(xi)列突破。然而由于光(guang)纤(xian)(xian)存在(zai)固有(you)损耗,量子信(xin)号(hao)又不能(neng)像经典通信(xin)那样被放大。根(gen)据数据测算,通过(guo)1200公里的光(guang)纤(xian)(xian),即使有(you)每(mei)秒百亿(yi)发射率(lv)的单光(guang)子源和(he)完美(mei)的探测器,也(ye)需(xu)要数百万(wan)年(nian)才能(neng)建立(li)一(yi)(yi)个比特的密钥(yao)。

对于另(ling)一种(zhong)重要(yao)的(de)信(xin)(xin)(xin)道(dao),也就是自由空间信(xin)(xin)(xin)道(dao),由于外太空几(ji)乎真空因而光(guang)信(xin)(xin)(xin)号(hao)损耗(hao)非(fei)常小,所(suo)以通(tong)过卫星的(de)辅助可以极大(da)(da)扩展量(liang)(liang)子(zi)通(tong)信(xin)(xin)(xin)距离。近(jin)年(nian)来,随着“墨子(zi)号(hao)”量(liang)(liang)子(zi)科学实(shi)(shi)验(yan)卫星的(de)成(cheng)(cheng)功(gong),基(ji)于卫星平台和地(di)面光(guang)纤(xian)(xian)网(wang)相结(jie)合的(de)量(liang)(liang)子(zi)通(tong)信(xin)(xin)(xin)已(yi)成(cheng)(cheng)为(wei)(wei)构建(jian)覆(fu)盖全(quan)球量(liang)(liang)子(zi)通(tong)信(xin)(xin)(xin)网(wang)络最为(wei)(wei)可行的(de)手(shou)段。尽管MDI-QKD在(zai)光(guang)纤(xian)(xian)中得到(dao)了(le)成(cheng)(cheng)功(gong)的(de)实(shi)(shi)现(xian),但(dan)由于大(da)(da)气湍流的(de)存在(zai),如何在(zai)如此(ci)不稳定的(de)信(xin)(xin)(xin)道(dao)中实(shi)(shi)现(xian)量(liang)(liang)子(zi)干涉成(cheng)(cheng)为(wei)(wei)了(le)巨(ju)大(da)(da)的(de)挑战,这也使MDI-QKD一直未能在(zai)自由空间信(xin)(xin)(xin)道(dao)中实(shi)(shi)现(xian)。

由于自由空间信道的大气湍流破坏了空间模式,在进行干涉测量前需要用单模光纤进行空间滤波,由此带来的耦合效率低下和强度涨落是本实验的两大难点。为了解决耦合效率低下的问题,研究团队首先开发了一种基于随机梯度下降算法的具有抵抗强湍流能力的自适应光学系统,使双链路总信道效率提升约4~10倍。光强的快速涨落使得光纤MDI-QKD系统中的时钟传递、光频比对方法难以直接应用于自由空间信道中。为此,实验团队在三个实验点分别使用了超稳晶振作为独立时钟源(Allen方差8×10-14),并通过测量脉冲到达时间实时反馈,得到32 ps的独立时钟同步精度;在两个编码端分别使用HCN分子吸收池校准光频,使得干涉光的频率差小于10 MHz,从而实现了远距离独立激光器之间的锁频。

得益于上(shang)(shang)述一(yi)(yi)系列技(ji)术突破,实(shi)(shi)验(yan)团队利用清华大(da)学王(wang)向斌教(jiao)授的(de)(de)四强度(du)(du)优化协议,最终在(zai)上(shang)(shang)海城市(shi)大(da)气信道(dao)中(zhong)(zhong)实(shi)(shi)现了(le)第一(yi)(yi)个自由(you)空(kong)间(jian)(jian)MDI-QKD实(shi)(shi)验(yan)。两个信道(dao)长度(du)(du)分别(bie)为(wei)7.7 km和11.5 km,通信双方(fang)Alice和Bob间(jian)(jian)距(ju)离(li)为(wei)19.2 km,该(gai)距(ju)离(li)也远(yuan)(yuan)远(yuan)(yuan)超过了(le)地球大(da)气的(de)(de)等(deng)效厚度(du)(du),这意味着(zhe)(zhe)本工(gong)作也向着(zhe)(zhe)基于卫星的(de)(de)MDI-QKD迈出坚(jian)实(shi)(shi)一(yi)(yi)步(bu)。此外,在(zai)MDI-QKD以外的(de)(de)许多量(liang)(liang)子(zi)信息任(ren)务(wu)中(zhong)(zhong),实(shi)(shi)现独立单光子(zi)在(zai)自由(you)空(kong)间(jian)(jian)信道(dao)中(zhong)(zhong)长距(ju)离(li)传播后(hou)的(de)(de)量(liang)(liang)子(zi)干(gan)涉是(shi)不可避免的(de)(de)。本工(gong)作发展的(de)(de)相关技(ji)术为(wei)在(zai)自由(you)空(kong)间(jian)(jian)进(jin)行量(liang)(liang)子(zi)干(gan)涉的(de)(de)相关量(liang)(liang)子(zi)实(shi)(shi)验(yan)开辟(pi)了(le)道(dao)路,如量(liang)(liang)子(zi)中(zhong)(zhong)继(ji)器、量(liang)(liang)子(zi)网络,以及在(zai)大(da)空(kong)间(jian)(jian)尺度(du)(du)中(zhong)(zhong)探索量(liang)(liang)子(zi)力学与广(guang)义(yi)相对论融合等(deng)基本问题。

图(tu)1 远(yuan)距离自由(you)空(kong)间MDI-QKD实验装(zhuang)置图(tu)

该工作(zuo)的(de)共(gong)同(tong)第一作(zuo)者为(wei)曹(cao)原副研究(jiu)员、博(bo)士后李(li)宇(yu)怀(huai)和(he)博(bo)士研究(jiu)生杨奎(kui)星。上(shang)(shang)述研究(jiu)得到了科(ke)技(ji)部(bu)重(zhong)点研发计(ji)划(hua)、国(guo)家自然科(ke)学基金、中国(guo)科(ke)学院、上(shang)(shang)海市和(he)安徽(hui)省的(de)支持。

论文链接:http://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.260503


(合(he)肥微尺度物质科学国家研究(jiu)中(zhong)心、中(zhong)科院(yuan)量子信(xin)息与(yu)量子科技创新研究(jiu)院(yuan)、科研部)


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