中科大首次在國際上實(shí)現(xiàn)基于遠(yuǎn)距離自由空間信道的測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)

從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校潘建偉院士團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)王向斌、中科院上海微系統(tǒng)所尤立星等人合作，首次在國際上實(shí)現(xiàn)基于遠(yuǎn)距離自由空間信道的測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)（MDI-QKD）。這項(xiàng)成果不僅實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)基于遠(yuǎn)距離量子干涉更復(fù)雜量子信息處理任務(wù)的可能?！段锢碓u論快報(bào)》日前在線發(fā)表了該成果。

MDI-QKD協(xié)議利用雙光子干涉技術(shù)消除了探測端的所有安全漏洞，無需對測量端的量子設(shè)備進(jìn)行任何安全性假設(shè)，被認(rèn)為是各種量子密鑰分發(fā)協(xié)議中的最佳候選協(xié)議之一。該協(xié)議自2012年首次提出以來，已在光纖信道上得到快速發(fā)展，在距離更遠(yuǎn)、密鑰速率更高和網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證等方向取得一系列突破。然而，由于光纖存在固有損耗，量子信號(hào)不能像經(jīng)典通信那樣被放大。在自由空間信道，由于真空光信號(hào)損耗非常小，通過衛(wèi)星輔助可以極大擴(kuò)展量子通信距離。

近年來，隨著“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射，基于衛(wèi)星平臺(tái)和地面光纖網(wǎng)相結(jié)合的量子通信已成為構(gòu)建覆蓋全球量子通信網(wǎng)絡(luò)最為可行的手段。盡管MDI-QKD在光纖中成功實(shí)現(xiàn)，但自由空間存在大氣湍流，如何在不穩(wěn)定信道中實(shí)現(xiàn)量子干涉成為巨大挑戰(zhàn)。

由于自由空間大氣湍流破壞了空間模式，在進(jìn)行干涉測量前需要用單模光纖進(jìn)行空間濾波，由此帶來的耦合效率低下和強(qiáng)度漲落是該實(shí)驗(yàn)兩大難點(diǎn)。潘建偉團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種具有抵抗強(qiáng)湍流能力的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，并使用超穩(wěn)晶振作為獨(dú)立時(shí)鐘源，成功解決了兩大難點(diǎn)。

隨后，潘建偉團(tuán)隊(duì)利用清華大學(xué)王向斌的四強(qiáng)度優(yōu)化協(xié)議，在上海城市大氣信道中實(shí)現(xiàn)首個(gè)自由空間MDI-QKD，通信雙方距離為19.2公里。這一距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地球大氣的等效厚度，標(biāo)志著向基于衛(wèi)星的MDI-QKD邁出堅(jiān)實(shí)一步。這項(xiàng)研究所發(fā)展的相關(guān)技術(shù)，也為在自由空間進(jìn)行量子網(wǎng)絡(luò)等量子干涉相關(guān)實(shí)驗(yàn)開辟了道路。

責(zé)任編輯：PSY