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YABO|首页官方:光纤量子通信世界新纪录!潘建伟、王向斌团队实现509公里地基量子密钥分发

YABO|首页官方:从升空世界首颗量子卫星“墨子号”、通车世界首条量子保密通信干线“京沪干线”、到量子密钥发给距离的大大减少,我国量子通信技术一直正处于世界前茅。而近日,中国科学技术大学潘建伟团队与清华大学王向斌团队堪称再次强强联合,突破了远距离独立国家激光振幅干涉技术,构建 500 公里量级现实环境光纤的双场量子密钥发给(TF-QKD),从而再度创下了量子密钥发给传输距离的世界纪录。当地时间 2020年 2月 20日,上述团队取名为 Sending-or-Not-Sending with Independent Lasers: Secure Twin-Field Quantum Key Distribution over 509km(发送到-不发送到独立国家激光器:509 公里安全性双场量子密钥发给)的研究成果公开发表在世界知名物理学顶级学术周刊《物理学评论快报》(Physical Review Letters)上,并入选为“编辑引荐”文章。

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“发送到—不发送到”的双场量子密钥发给方案在密码学中,密钥(key)指用来已完成加密、解密、完整性检验等密码学应用于的秘密信息。实质上,自人类用于语言以来,通过密钥给信息加密的技术就在大大发展。1984 年,物理学家 Bennett 和密码学家 Brassard 明确提出了基于量子力学测量原理的世界首个量子密钥发给协议(BB84 协议),目的减少安全性通信距离、提升安全性。

依据该协议明确提出的量子密钥发给(QKD,即 quantum key distribution)可以为隔开两地的用户获取无条件的安全性分享密钥,在显然上确保了密钥的安全性。不过,由于受到通信光纤损耗、探测器噪声等容许,量子密钥发给系统一般来说不能在 100 公里内取得较高的成码率——在无量子中继(中继指两个交换中心之间的一条传输通路)的情形下,安全性成码率不受线性界限的约束。

【外用黑客攻击量子密钥发给示意图】基于此,一种新型量子密钥发给方案——「“发送到—不发送到”的双场量子密钥发给方案」应运而生,该方案由清华大学物理系教授、清华大学密码理论中心副主任、济南量子技术研究院院长、该论文作者之一王向斌明确提出。据报,这种方案精妙地利用单光子干预的特性,大大提高了对振幅噪声的忽视能力和安全性,让量子密钥发给的成码率在长距离的情况下也保持较高水平。非常简单来讲,双场量子密钥就看起来一对双胞胎联手,甚至可以在无中继的情形下精彩突破成码率线性界限。

2019 年,中国“量子之父”、中科院院士潘建伟及其团队之后在 300 公里现实环境的光纤中已完成了双场量子密钥发给实验。不过了解到,双场量子密钥发给的技术拒绝非常严苛:拒绝两个远程独立国家激光器的单光子级干预;必须通过单光子观测结果构建长距离光纤链路比较振幅较慢飘移的精准估算;必须同时符合低计数率、高效率及超低亮计数的单光子探测器。量子密钥发给传输距离世界新纪录此次,研究团队正是应用于了上述方案,在 509 公里宽的超低损耗光纤上实验证明了一种安全性的密钥发给,突破了无中继量子密钥的意味著密钥速率容许,顺利建构了地基量子密钥发给最远距离新的世界纪录。

具体来讲,潘建伟团队基于王向斌明确提出的“发送到-不发送到”双场量子密钥发给方案,发展时频传输技术和激光流经瞄准技术,将两个独立国家的远程激光器的波长瞄准为完全相同,并利用可选振幅参照光来估算光纤的比较振幅较慢飘移。同时,团队融合了中科院上海微系统所研制的高计数率低噪声单光子探测器,最后将量子密钥发给的安全性成码距离推至 500 公里量级。右图为实验装置示意图,Alice 和 Bob为远程锁频平稳连续波激光器,由振幅调制器(PM)和三个强度调制器(IM1、IM2、IM3)调制,用作振幅随机化、编码和诱饵强度调制。另外,图中 ATT为衰减器,PC为偏振控制器,PBS为偏振分束器,DWDM为密集波分复用器,CIR为循环器,BS为分束器,FM为法拉第镜,PD为光电二极管。

根据论文,509 公里处的光纤成码率比传统无中继量子密钥发给的比较界限低 7 倍以上,即多达了理想的观测装置(探测器效率为 100%)下的无中继量子密钥发给成码无限大。此外,如果将系统反复频率升级至京沪干线等远距离量子通信网络中使用的 1GHz,300 公里处成码率可约 5kbps,从而大量增加骨干光纤量子通信网络中的可靠中继数量,大幅度提高光纤量子保密通信网络的安全性。实质上,当地时间 2020年 3月 2日,国际学术期刊《大自然》子刊《大自然·光子学》(Nature Photonics) 刊出了潘建伟院士等人的另一篇研究成果,取名为 Implementation of quantum key distribution surpassing the linear rate-transmittance bound(多达线性速率-透射率界限的量子密钥发给的实行情况)。

(公众号:)注意到,该研究是以清华大学教授马雄峰明确提出的振幅给定量子密钥发给(PM-QKD)协议为基础,更进一步前进了远程量子通信的发展,为方兴未艾的量子互联网打下基础。2019年 9月 10日,在中国科学院与德国国立科学院(Leopoldina)牵头举行的第一届双边研讨会上,潘建伟院士曾回应:在人类构建远距离安全性量子通信的征途下有两大挑战,分别是现实条件下的安全性问题和远距离传输问题。可见,此次研究对量子通信来说意义不凡,在此也期望我国科研人员带给的更好突破!参考资料:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.070501 https://mp.weixin.qq.com/s/YHC1zdEAQ2TQKsXk1J52NAhttps://www.nature.com/articles/s41566-020-0599-8原创文章,予以许可禁令刊登。

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