交叉信息院馬雄峰研究組與中科大合作 首次實(shí)現(xiàn)超過(guò)500公里的無(wú)中繼光纖通信
交叉信息院馬雄峰研究組與中科大合作 首次實(shí)現(xiàn)超過(guò)500公里的無(wú)中繼光纖通信
2020年04月26日 瀏覽次數(shù): 0
近日，馬雄峰研究組基于小組相位匹配量子密鑰分發(fā)的理論工作，和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行合作，首次實(shí)現(xiàn)了超過(guò)500公里的無(wú)中繼光纖量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了容忍信道損耗的記錄，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作發(fā)表在《自然·光子學(xué)》上，并于2020年3月5日得到央視《新聞聯(lián)播》報(bào)道。
量子密鑰分發(fā)（Quantum key distribution）利用量子物理基本原理，可為通信雙方產(chǎn)生理論上無(wú)條件安全的隨機(jī)密鑰，保證了信息傳輸過(guò)程中的安全性。自上個(gè)世紀(jì)九十年代以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的理論及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，該方向特別是基于光纖信道的量子密鑰分發(fā)當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入到了實(shí)用化階段。光子作為最普遍應(yīng)用的信息載體，其傳輸損耗是量子密鑰分發(fā)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的主要障礙。如何克服傳輸損耗從提高密鑰速率，傳輸距離是量子密鑰分發(fā)協(xié)議理論和實(shí)驗(yàn)研究的核心任務(wù)。
量子信道的傳輸效率通常用通過(guò)率t來(lái)刻畫(huà)，即一個(gè)光子能夠經(jīng)發(fā)送端（Alice）順利通過(guò)量子信道達(dá)到接收端（Bob）并且被探測(cè)到的概率。在離散變量量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，一般采用單光子進(jìn)行密鑰信息編碼，因而單光子在信道中的損耗意味著密鑰信息的丟失。因此，通過(guò)率t是密鑰產(chǎn)生速率的自然上界?？梢試?yán)格證明，在所有的Alice向Bob發(fā)送信號(hào)的協(xié)議中，其密鑰產(chǎn)生速率R存在一個(gè)上界，為量子信道通過(guò)率t的線性函數(shù)，即R=O(t)。在光纖量子密鑰分發(fā)中，由于量子信道通過(guò)率隨著傳輸距離的增加而指數(shù)衰減，該上界嚴(yán)重限制了量子密鑰分發(fā)協(xié)議在遠(yuǎn)距離條件下的密鑰生成速率。
基于最近的一些理論進(jìn)展，馬雄峰副教授和他的博士生曾培，周泓伊推廣并提出了一種新型相位匹配量子密鑰分發(fā)協(xié)議（圖1），并嚴(yán)格證明了其安全性，這也是世界上首個(gè)對(duì)突破線性函數(shù)密鑰率上界O(t)的證明。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的協(xié)議安全性分析以及考慮所有實(shí)際因素的數(shù)值模擬后，該小組發(fā)現(xiàn)新協(xié)議的密鑰產(chǎn)生速率在傳輸距離大于250公里的時(shí)候可以顯著超越線性密鑰率上界。在傳輸距離大于300公里的時(shí)候，該協(xié)議的密鑰率能夠比原始的測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議高出4~6個(gè)數(shù)量級(jí)。
圖1? 相位匹配量子密鑰分發(fā)協(xié)議示意圖。
圖2 相位匹配量子密鑰分發(fā)協(xié)議(PM-QKD)密鑰率與傳輸距離關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。星號(hào)的數(shù)據(jù)點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，紅色和藍(lán)色的實(shí)線為相應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果。通過(guò)502公里的超損光纖，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了超遠(yuǎn)距離密鑰分發(fā)。黑色實(shí)線為以前的線性成碼上界。
基于該協(xié)議方案，馬雄峰副教授以及組內(nèi)博士生曾培、本科生吳蔚捷改進(jìn)了上述的理論分析，并和中科大實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合作，引入了激光注入鎖定和相位后補(bǔ)償方法，在超過(guò)500公里的光纖通信情況下上述研究成果成功創(chuàng)造了地基量子密鑰分發(fā)最遠(yuǎn)距離新的世界紀(jì)錄，在超過(guò)500公里的光纖成碼率打破了傳統(tǒng)無(wú)中繼QKD所限定的成碼率極限，即超過(guò)了理想的探測(cè)裝置（探測(cè)器效率為100%）下的無(wú)中繼QKD成碼極限（圖2）。如果將系統(tǒng)重復(fù)頻率升級(jí)至京滬干線等遠(yuǎn)距離量子通信網(wǎng)絡(luò)中采用的1GHz，在300公里處，成碼率可達(dá)5kbps，這將大量減少骨干光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)中的可信中繼數(shù)量，大幅提升光纖量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的安全性。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生方嘯天、劉慧和我院博士生曾培為共同第一作者，中科大的潘建偉教授、陳騰云教授和我院馬雄峰副教授為共同通訊作者。此外，中科大的張強(qiáng)教授，陳宇翱教授，彭承志教授，國(guó)盾量子公司的湯艷琳工程師，和上海微系統(tǒng)與信息研究所的工程師尤立星工程師等參與了工作。
該工作得到了科技部、自然科學(xué)基金委、中關(guān)村海華研究院等的資助。
相關(guān)論文：
【1】Ma, Zeng, and Zhou, “Phase-matching quantum key distribution”, PRX 8, 031043 (2018)
【2】X.-T. Fang, P. Zeng, H. Liu, M. Zou, W. Wu, Y.-L. Tang, Y.-J. Sheng, Y. Xiang, W. Zhang, H. Li, Z. Wang, L. You, M.-J. Li, H. Chen, Y.-A. Chen, Q. Zhang, C.-Z. Peng, X. Ma, T.-Y. Chen, and J.-W. Pan, “Implementation of quantum key distribution surpassing the linear rate-transmittance bound,” Nature Photonics, 2020.
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