潘建偉團隊新突破：創紀錄500公里量級現場無中繼光纖量子密鑰分發
發布時間：2021-6-24 18:39
發布者：eechina
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來源: 第一財經資訊 6月23日，中國科學技術大學網站消息稱，中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉及其同事張強、陳騰云與濟南量子技術研究院王向斌、劉洋等合作，突破現場遠距離高性能單光子干涉技術，憑借時頻傳輸技術和激光注入鎖定技術，實現了創紀錄500公里量級現場無中繼光纖量子密鑰分發。相關研究成果分別發表于國際著名學術期刊《物理評論快報》和《自然·光子學》上。 為實現長距離光纖量子網絡鋪路 上述研究成果成功創造了現場光纖無中繼QKD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，即超過了理想探測裝置下的無中繼QKD成碼極限，在實際環境中證明了雙場量子密鑰分發（TF-QKD）的可行性，并為實現長距離光纖量子網絡鋪平了道路。 具體而言，最新發表的這項研究利用中科院上海微系統所尤立星小組研制的超導探測器，基于“濟青干線”現場光纜，分別采用激光注入鎖定實現了428公里TF-QKD，同時利用時頻傳遞技術實現了511公里TF-QKD。 量子不可克隆原理保證了密鑰分發的無條件安全性，而未知量子態的不可克隆性，也使得QKD不能像經典光通信那樣通過光放大對傳輸進行中繼，因此實際應用中QKD的傳輸距離受到光纖損耗的限制。 2016年，潘建偉團隊就曾在《物理評論快報》發表研究成果，在國際上首次實現超過400公里抵御量子黑客攻擊的測量設備無關量子密鑰分發，當時創造了量子保密通信新的世界紀錄，并被國際審稿人高度評價為“量子密鑰分發和量子通信最遠傳輸記錄”以及“打破BB84協議下單光子源的傳輸終極極限”的中國成果。 此前，潘建偉團隊已經在實驗室內實現超過500公里TF-QKD的驗證，然而，在實際場景的苛刻環境下實現TF-QKD是極其困難的。這是由于在實驗室內溫度、振動以及人活動引起的聲音等噪聲都可以被有效隔離，但現場環境中這些是不可避免的。這些外界的干擾會導致現場光纜一天相應的長度和偏振變化速率比實驗室光纖快兩到三個數量級；損耗也要比實驗室光纖高約10%；串擾引起的噪聲比單光子探測器的本底噪聲高兩個數量級以上。 據中國科大介紹，潘建偉團隊基于王向斌提出的“發送-不發送”雙場量子密鑰分發協議，發展射頻傳輸技術和激光注入鎖定技術，將現場相隔幾百公里的兩個獨立激光器的波長鎖定為相同；再針對現場復雜的鏈路環境，開發了光纖長度及偏振變化實時補償系統；并設計了QKD光源的波長，并通過窄帶濾波將串擾噪聲濾除；最后結合中科院上海微系統所研制的高計數率低噪聲單光子探測器，在現場將無中繼光纖QKD的安全成碼距離推至500公里以上。 “過去400公里量級的密鑰分發已經是極限了，這次團隊利用了新的技術才實現了500公里量級的雙場量子密鑰分發，意義重大�！币晃辉谥袊拼罅孔油ㄐ艑嶒炇覔窝芯繂T的專家對第一財經記者表示。 構建天地一體量子通信網絡 近一年多來，潘建偉團隊成果不斷。今年5月，我國首個可操縱的超導量子計算機體系“祖沖之號”問世，該成果將為促進中國在超導量子系統上實現量子優越性奠定技術基礎，也為后續具有重大實用價值的通用量子計算的研發提供支持。 今年1月，潘建偉團隊在《自然》雜志上發表了題為“跨越4600公里的天地一體化量子通信網絡”的論文，驗證了廣域量子保密通信技術在實際應用中的條件已初步成熟。 潘建偉表示：“我們的工作表明，量子通信技術對于大規模的實際應用已經足夠成熟。類似地，如果把來自不同國家的國家量子網絡合并在一起，并且如果大學，機構和公司聚集在一起以標準化相關協議、硬件等，則可以建立全球量子通信網絡�！� 去年12月，潘建偉團隊成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”，實現了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解，使我國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家。 從九章量子計算機原型的發布到證明廣域量子保密通信技術在實際應用中的條件已成熟，中國在量子科技領域取得了跨越式的發展，未來中國將構建天地一體的有量子通信安全保障的未來互聯網。 中國科大教授陳宇翱此前曾對第一財經記者表示，未來中國量子通信技術的發展方向主要有三個，一個是通過與經典密碼學的結合，從而實現量子通信安全性的定量化；另一個是量子通信系統的芯片化、小型化和低成本化；第三個是完善建網的方式以及協議的更新。 量子技術應用公司夸密（Quakey）創始人CEO張文卓對第一財經記者表示：“量子信息技術將掀起第四次科技革命，也是第二次信息革命，但整個學科絕大部分還處于科研階段，僅有量子加密技術成熟到可以廣泛應用。目前行業仍然缺少能夠用前沿量子加密技術去解決信息安全問題的專業企業�！� |
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