English
聯系我們
網站地圖
郵箱
舊版回顧



科學家驗證遠距離雙場量子密鑰分發的可行性

文章來源:中國科學技術大學 上海微系统与信息技术研究所   發布時間:2019-09-09  【字號:     】  

  近日,中國科學技術大學教授潘建伟及其同事张强、刘洋与清华大学教授王向斌、中國科學院上海微系统与信息技术研究所研究员尤立星等人合作,在发展快速高稳定性激光频率锁定技术与高计数率低噪声单光子探测器的基础上,在300公裏真實環境的光纖中實現了雙場量子密鑰分發實驗。相關研究成果于95日(北京時間)在線發表在國際學術期刊《物理評論快報》雜志上(Phys. Rev. Lett. 123, 100505 (2019))。這項成果不僅完整實現了300公裏的雙場量子密鑰分發,也驗證了700公裏以上光纖遠距離量子密鑰分發的可行性,有望成爲新一代遠距離城際量子密鑰分發的基礎。

  量子密鑰分發(QKD)可以在用戶間進行非常高安全性的密鑰分發,進而實現最高安全性的保密通信,具有非常重要的理論和現實意義。但是限于通信光纖的損耗和探測器的噪聲等原因,量子密鑰分發系統通常只能在100公裏內獲得較高成碼率。目前安全性最高的測量設備無關的量子密鑰分發系統,最遠成碼距離是潘建偉團隊于2016年實驗實現的404公里。最近,英国东芝公司的科学家提出了一种新型的量子密钥分发方案:双场量子密鑰分發(Twin-Field QKD)方案,巧妙地利用單光子幹涉的特性,將成碼率與距離的關系從一般量子密鑰分發的線性關系提升至平方根的水平,因此可以獲得遠超過一般量子密鑰分發方案的成碼距離,並且理論上可以獲得遠高于一般量子密鑰分發方案的成碼率,爲遠距離、高性能量子密鑰分發提供了新的方向。

  然而,實驗實現雙場量子密鑰分發方案的條件極其苛刻。該方案利用單光子幹涉,爲了保證幹涉的穩定性,需要通信雙方獨立光源的波長差不能高于10 kHz的水平(比光子本身的頻率低10個量級),並且在經過百公裏以上的傳輸後需要控制光纖引起的相位差不高于0.3弧度(需要遠小于光子波長)。

  該研究中,王向斌提出了基于“發送-不發送”的雙場量子密鑰分發方案,大大提高了對相位噪聲的容忍能力並嚴格證明了安全性;潘建偉、張強實驗小組發展了高速高穩定性的相位鎖定技術、高性能調制與鏈路相位估計方案,利用上海微系統所研制的低噪聲超導納米線單光子探測器,實現了雙場量子密鑰分發方案的實驗驗證。該研究在現實環境下相位劇烈變化的300公裏光纖信道上,實現了雙場量子密鑰分發,在考慮統計漲落及有限長度分析等重要理論要求後,在300公裏處,密鑰生成率達到2016年實驗的50倍,並打破了一般無中繼量子密鑰分發方案的最高成碼率理論極限。同現有已發表的雙場QKD實驗相比,該研究是唯一的考慮了有限碼長效應的實驗。此外,聯合團隊也分析了在提高探測器性能等條件下,該方案可以進行超過700公裏的遠距離量子密鑰分發。

  该工作验证了远距离双场量子密钥分发方案的可行性,证明该方案具有远距离、高成码率等性能,非常适合在城际量子密钥分发主干链路使用。该工作被《物理评论快报》审稿人评论为“实用双场量子密钥分发的重要里程碑”,被《物理评论快报》选为“编辑推荐”論文,并被美国物理学会的Physics 杂志进行了專題亮点报道。

  上述研究得到科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、教育部、中科院、安徽省和濟南市的支持。

  論文链接

 

發送-不發送”双场QKD示意圖




(責任編輯:葉瑞優)

附件:

專題推荐

相關新聞


© 1996 - 中國科學院 版权所有 京ICP備05002857號  京公網安備110402500047號  聯系我們

地址:北京市三里河路52号 邮编:100864