中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉團隊與清華大學教授王向斌、中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員尤立星等人合作首次在國際上實現基於遠距離自由空間信道的測量設備無關量子密鑰分發（MDI-QKD）。這項成果不僅實現了將MDI-QKD從光纖信道拓展到自由空間信道的突破，也開啟了在自由空間信道中實現基於遠距離量子幹涉的更複雜量子信息處理任務的可能。該成果日前在線發表於《物理評論快報》。
MDI-QKD協議利用雙光子幹涉技術消除了探測端的所有安全漏洞，無需對測量端的量子設備進行任何安全性假設，被認為是各種量子密鑰分發協議中的最佳候選協議之一。該協議自2012年首次提出以來，已在光纖信道上得到快速發展，在距離更遠、密鑰速率更高和網絡驗證等方向取得一系列突破。然而，由於光纖存在固有損耗，量子信號不能像經典通信那樣被放大。在自由空間信道，由於真空光信號損耗非常小，通過衛星輔助可以極大擴展量子通信距離。
近年來，隨著「墨子號」量子科學實驗衛星的成功發射，基於衛星平臺和地面光纖網相結合的量子通信已成為構建覆蓋全球量子通信網絡最為可行的手段。儘管MDI-QKD在光纖中成功實現，但自由空間存在大氣湍流，如何在不穩定信道中實現量子幹涉成為巨大挑戰。
由於自由空間大氣湍流破壞了空間模式，在進行幹涉測量前需要用單模光纖進行空間濾波，由此帶來的耦合效率低下和強度漲落是該實驗兩大難點。潘建偉團隊開發了一種具有抵抗強湍流能力的自適應光學系統，並使用超穩晶振作為獨立時鐘源，成功解決了兩大難點。
隨後，潘建偉團隊利用王向斌團隊的四強度優化協議，在上海城市大氣信道中實現首個自由空間MDI-QKD，通信雙方距離為19.2公裡。這一距離遠遠超過地球大氣的等效厚度，標誌著向基於衛星的MDI-QKD邁出堅實一步。這項研究所發展的相關技術，也為在自由空間進行量子幹涉相關量子實驗開闢了道路。（通訊員桂運安）
【來源：中國科學報】
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