馬雄峰研究組與中科大合作 首次實現超過500公里的無中繼光纖通信

2020年04月26日 瀏覽次數: 0

        近日，馬雄峰研究組基于小組相位匹配量子密鑰分發的理論工作，和中國科學技術大學的實驗團隊進行合作，首次實現了超過500公里的無中繼光纖量子密鑰分發實驗，實現了容忍信道損耗的記錄，創造了新的世界紀錄。相關實驗工作發表在《自然·光子學》上，并于2020年3月5日得到央視《新聞聯播》報道。

       量子密鑰分發（Quantum key distribution）利用量子物理基本原理，可為通信雙方產生理論上無條件安全的隨機密鑰，保證了信息傳輸過程中的安全性。自上個世紀九十年代以來，經過多年的理論及實驗技術的發展，該方向特別是基于光纖信道的量子密鑰分發當前已經進入到了實用化階段。光子作為最普遍應用的信息載體，其傳輸損耗是量子密鑰分發協議實現的主要障礙。如何克服傳輸損耗從提高密鑰速率，傳輸距離是量子密鑰分發協議理論和實驗研究的核心任務。

       量子信道的傳輸效率通常用通過率t來刻畫，即一個光子能夠經發送端（Alice）順利通過量子信道達到接收端（Bob）并且被探測到的概率。在離散變量量子密鑰分發協議中，一般采用單光子進行密鑰信息編碼，因而單光子在信道中的損耗意味著密鑰信息的丟失。因此，通過率t是密鑰產生速率的自然上界。可以嚴格證明，在所有的Alice向Bob發送信號的協議中，其密鑰產生速率R存在一個上界，為量子信道通過率t的線性函數，即R=O(t)。在光纖量子密鑰分發中，由于量子信道通過率隨著傳輸距離的增加而指數衰減，該上界嚴重限制了量子密鑰分發協議在遠距離條件下的密鑰生成速率。

        基于最近的一些理論進展，馬雄峰副教授和他的博士生曾培，周泓伊推廣并提出了一種新型相位匹配量子密鑰分發協議（圖1），并嚴格證明了其安全性，這也是世界上首個對突破線性函數密鑰率上界O(t)的證明。經過嚴格的協議安全性分析以及考慮所有實際因素的數值模擬后，該小組發現新協議的密鑰產生速率在傳輸距離大于250公里的時候可以顯著超越線性密鑰率上界。在傳輸距離大于300公里的時候，該協議的密鑰率能夠比原始的測量設備無關量子密鑰分發協議高出4~6個數量級。

圖1  相位匹配量子密鑰分發協議示意圖。

圖2 相位匹配量子密鑰分發協議(PM-QKD)密鑰率與傳輸距離關系的實驗結果。星號的數據點為實驗結果，紅色和藍色的實線為相應的數值模擬結果。通過502公里的超損光纖，實驗實現了超遠距離密鑰分發。黑色實線為以前的線性成碼上界。

        基于該協議方案，馬雄峰副教授以及組內博士生曾培、本科生吳蔚捷改進了上述的理論分析，并和中科大實驗團隊合作，引入了激光注入鎖定和相位后補償方法，在超過500公里的光纖通信情況下上述研究成果成功創造了地基量子密鑰分發最遠距離新的世界紀錄，在超過500公里的光纖成碼率打破了傳統無中繼QKD所限定的成碼率極限，即超過了理想的探測裝置（探測器效率為100%）下的無中繼QKD成碼極限（圖2）。如果將系統重復頻率升級至京滬干線等遠距離量子通信網絡中采用的1GHz，在300公里處，成碼率可達5kbps，這將大量減少骨干光纖量子通信網絡中的可信中繼數量，大幅提升光纖量子保密通信網絡的安全性。中國科學技術大學博士生方嘯天、劉慧和我院博士生曾培為共同第一作者，中科大的潘建偉教授、陳騰云教授和我院馬雄峰副教授為共同通訊作者。此外，中科大的張強教授，陳宇翱教授，彭承志教授，國盾量子公司的湯艷琳工程師，和上海微系統與信息研究所的工程師尤立星工程師等參與了工作。

        該工作得到了科技部、自然科學基金委、中關村海華研究院等的資助。

相關論文：

【1】Ma, Zeng, and Zhou, “Phase-matching quantum key distribution”, PRX 8, 031043 (2018)

【2】X.-T. Fang, P. Zeng, H. Liu, M. Zou, W. Wu, Y.-L. Tang, Y.-J. Sheng, Y. Xiang, W. Zhang, H. Li, Z. Wang, L. You, M.-J. Li, H. Chen, Y.-A. Chen, Q. Zhang, C.-Z. Peng, X. Ma, T.-Y. Chen, and J.-W. Pan, “Implementation of quantum key distribution surpassing the linear rate-transmittance bound,” Nature Photonics, 2020.