齊魯網·閃電新聞3月3日訊 繼首次實驗驗證了遠距離雙場量子密鑰分發可行性，在300公裡真實環境的光纖中實現了雙場量子密鑰分發實驗後，濟南量子技術研究院王向斌教授、劉洋研究員與中國科學技術大學潘建偉院士團隊再次合作，實現了509公裡真實環境光纖的雙場量子密鑰分發（TF-QKD）。相關研究成果於2月20日（北京時間）在線發表在國際權威學術期刊《物理評論快報》上（Phys. Rev. Lett. 124, 070501 (2020)），王向斌教授和張強教授為論文共同通訊作者。
值得一提的是，該成果成功創造了量子密鑰分發最遠傳輸距離新的世界紀錄，推動新一代遠距離城際量子密鑰分發邁上了新的臺階。
據悉，在量子密鑰分發（QKD）的長距離實際應用中，信道損耗是最嚴重的限制因素。現有的基於誘騙態BB84方案的QKD以及測量設備無關量子密鑰分發（MDI-QKD）採用雙光子複合事件作為有效探測事件，使其安全成碼率隨信道衰減線性下降，在無量子中繼的情形下，安全成碼率受線性界限的約束，而TF-QKD利用單光子幹涉作為有效探測事件，使安全成碼率隨信道衰減的平方根線性下降，甚至可以在無中繼的情形下輕鬆突破QKD成碼率線性界限。然而，TF-QKD的實施條件相當苛刻，要求兩個遠程獨立雷射器的單光子級幹涉，同時需要通過單光子探測結果實現長距離光纖鏈路相對相位快速漂移的精準估計。
該研究成果理論方面基於研究院王向斌教授提出的「發送-不發送」的雙場量子密鑰分發協議，大幅提高了系統對相位噪聲的容忍能力；實驗方面，張強教授團隊採用了時頻傳輸技術，將兩個獨立的遠程雷射器的波長鎖定為相同，並利用附加相位參考光來估計光纖的相對相位快速漂移，確保了測量器件無關的安全屬性。最終在實驗室內將QKD安全成碼距離成功拓展至509公裡，打破了傳統無中繼QKD所限定的絕對理論成碼率極限，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。同時，與其他雙場QKD實驗相比，該研究在安全性上擁有獨特優勢：既是測量設備無關的，又充分考慮了有限碼長下的安全性。如果將系統重複頻率升級至京滬幹線等遠距離量子通信網絡中採用的1GHz，在300公裡處，成碼率可達5kbps，這將大量減少骨幹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。
該工作被《物理評論快報》審稿人評論為「在雙場量子密鑰分發實驗的安全密鑰率及有限碼長分析方面取得了顯著的提升」，被《物理評論快報》選為「編輯推薦」論文。
記者了解到，該工作得到了山東省泰山學者工程、山東省重點研發計劃項目、濟南市高新區管委會的資助。
閃電新聞記者 王樹偉 報導