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张飞

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)议利用双光子(zi)干涉技术消除了探测端的(de)(de)所有(you)安(an)全漏(lou)洞(dong),无(wu)需对测量端的(de)(de)量子(zi)设备进行任何安(an)全性(xing)假设,被认为是各(ge)种量子(zi)密钥分(fen)发协(xie)议中的(de)(de)最佳候选协(xie)议之(zhi)一(yi)。自2012年首(shou)次提出以来,MDI-QKD协(xie)议已在光纤(xian)(xian)信道上得到快速(su)发展(zhan),在距(ju)离更(geng)远、密钥速(su)率更(geng)高和(he)网络验证等方向(xiang)取得了一(yi)系(xi)列突破。然而由于光纤(xian)(xian)存在固有(you)损(sun)耗(hao),量子(zi)信号又不能像(xiang)经典通信那样被放大。根据数据测算,通过1200公里的(de)(de)光纤(xian)(xian),即使有(you)每(mei)秒百(bai)亿发射(she)率的(de)(de)单光子(zi)源和(he)完(wan)美的(de)(de)探测器,也需要数百(bai)万年才能建立一(yi)个比特的(de)(de)密钥。

对于(yu)(yu)另一种(zhong)重要的(de)信(xin)(xin)道(dao)(dao),也就是(shi)自(zi)由(you)空间(jian)信(xin)(xin)道(dao)(dao),由(you)于(yu)(yu)外(wai)太(tai)空几乎真(zhen)空因而光信(xin)(xin)号(hao)损耗非常小,所以通(tong)过(guo)卫星的(de)辅(fu)助可以极大扩(kuo)展量(liang)子(zi)通(tong)信(xin)(xin)距离。近年(nian)来,随(sui)着“墨子(zi)号(hao)”量(liang)子(zi)科学实(shi)验(yan)卫星的(de)成功,基(ji)于(yu)(yu)卫星平台和(he)地面光纤(xian)网(wang)(wang)相结合的(de)量(liang)子(zi)通(tong)信(xin)(xin)已成为构建覆(fu)盖(gai)全球(qiu)量(liang)子(zi)通(tong)信(xin)(xin)网(wang)(wang)络最为可行(xing)的(de)手段。尽管MDI-QKD在(zai)光纤(xian)中得到(dao)了成功的(de)实(shi)现,但由(you)于(yu)(yu)大气湍流(liu)的(de)存在(zai),如(ru)何在(zai)如(ru)此不稳定(ding)的(de)信(xin)(xin)道(dao)(dao)中实(shi)现量(liang)子(zi)干涉成为了巨大的(de)挑战,这也使MDI-QKD一直未能在(zai)自(zi)由(you)空间(jian)信(xin)(xin)道(dao)(dao)中实(shi)现。

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(de)益(yi)于上述(shu)一系列技术(shu)突破,实(shi)验(yan)团(tuan)队利用清华大(da)学(xue)王向(xiang)斌教授的四(si)强度(du)优化(hua)协议,最终(zhong)在(zai)(zai)(zai)上海城(cheng)市(shi)大(da)气信(xin)道中实(shi)现(xian)了(le)第一个自(zi)由空间MDI-QKD实(shi)验(yan)。两个信(xin)道长度(du)分别为7.7 km和(he)(he)11.5 km,通信(xin)双方Alice和(he)(he)Bob间距离(li)为19.2 km,该距离(li)也远(yuan)远(yuan)超过了(le)地(di)球大(da)气的等效厚度(du),这意味着本工作(zuo)也向(xiang)着基于卫星的MDI-QKD迈出坚实(shi)一步。此外,在(zai)(zai)(zai)MDI-QKD以(yi)(yi)外的许多量(liang)子信(xin)息任务(wu)中,实(shi)现(xian)独立单光子在(zai)(zai)(zai)自(zi)由空间信(xin)道中长距离(li)传播后的量(liang)子干涉(she)是(shi)不(bu)可避免的。本工作(zuo)发展的相(xiang)关(guan)技术(shu)为在(zai)(zai)(zai)自(zi)由空间进(jin)行量(liang)子干涉(she)的相(xiang)关(guan)量(liang)子实(shi)验(yan)开辟了(le)道路,如(ru)量(liang)子中继(ji)器、量(liang)子网(wang)络,以(yi)(yi)及(ji)在(zai)(zai)(zai)大(da)空间尺度(du)中探(tan)索量(liang)子力学(xue)与广(guang)义相(xiang)对论融合等基本问题。

图(tu)1 远距离自由空间MDI-QKD实验(yan)装置(zhi)图(tu)

该工作(zuo)的共同第一(yi)作(zuo)者为曹(cao)原副研(yan)究(jiu)员、博士后李宇怀和博士研(yan)究(jiu)生杨奎星。上述研(yan)究(jiu)得到了科(ke)技部重点研(yan)发计划、国家自然(ran)科(ke)学(xue)基(ji)金、中国科(ke)学(xue)院(yuan)、上海市和安徽省的支(zhi)持。

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


(合(he)肥微尺度物质科学国(guo)家研究中心、中科院量(liang)子信(xin)息(xi)与量(liang)子科技创新研究院、科研部)


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