中科大潘建伟、张强教授团队联合济南量子技术研究院和中科院上海微系统所：无中继千公里光纤有限码长量子密钥分发
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Citation
1002 km twin-field quantum key distribution with finite-key analysis
Yang Liu, Wei-Jun Zhang, Cong Jiang, Jiu-Peng Chen, Di Ma, Chi Zhang, Wen-Xin Pan, Hao Dong, Jia-Min Xiong, Cheng-Jun Zhang, Hao Li, Rui-Chun Wang, Chao-Yang Lu, Jun Wu, Teng-Yun Chen, Lixing You*, Xiang-Bin Wang*, Qiang Zhang* & Jian-Wei Pan*
Quantum Frontiers 2, 16 (2023)
https://link.springer.com/article/10.1007/s44214-023-00039-9
研究背景
量子密钥分发技术基于量子物理，可以实现安全的密钥分发。近些年，针对量子分发研究的一个重点问题，是如何提高点对点量子密钥分发的工作距离。与经典通信不同，由于量子密钥分发利用单光子信号传递量子态，因此不能采用光放大器等设备对信号进行放大。因此，点对点量子密钥分发的距离严重受限于随距离指数增加的光纤损耗。最近提出的双场量子密钥分发协议大大提升了量子密钥分发的工作距离，可实现类似采用单个量子中继的密钥分发性能。以往工作已经在实验室实现了最远1002公里光纤距离的量子密钥分发，但在这个极限距离下的密钥分发，做了渐进极限的假设。现实条件下，由于可采集的数据长度一定是有限的，因此必须考虑有限码长等效应，才能保证最终分发密钥的安全性。
研究进展
中国科学技术大学、济南量子技术研究院和中国科学院上海微系统所组成的研究团队，采用低串扰相位参考信号控制、极低噪声单光子探测器等技术，在考虑有限码长效应条件下，实现了1002公里光纤距离的量子密钥分发。该工作不仅创造了现实数据长度条件量子密钥分发距离的世界纪录，通过性能优化，也提供了城际量子通信高速率主干链路的方案。
为了进行极远距离的量子密钥分发，本工作采用基于时分复用的双波长相位估计方案，可避免同波长参考光引起的二次瑞利散射噪声、不同波长参考光引起的自发拉曼散射噪声等影响，将链路噪声降低至0.01 Hz以下。采用极低噪声超导单光子探测器。该探测器在40 K和2.2 K温区进行了多级滤波，抑制热辐射引起的暗计数噪声，将单光子探测器的暗计数噪声降低至0.02 cps。采用基于“纯二氧化硅纤芯”技术的超低损光纤作为量子信道，实现低于0.16 dB/km的光纤损耗。本工作采用三强度“发与不发”双场量子密钥分发协议与主动奇校验配对方法，在1002公里实验室光纤中，实现了考虑有限码长效应的双场量子密钥分发，最终获得了每脉冲 的安全成码率。
在202公里到505公里的城际光纤距离条件下，本工作根据光纤损耗进行了信号态与诱骗态光强、时间占空比等参数进行了优化。通过降低相位参考脉冲的时间占空比、提高时间滤波时间窗口的方式，提升系统有效工作频率至900 MHz。同时，采用具有10 Hz左右较高暗计数噪声，但探测效率高于80%的单光子探测器，进行高性能的信号态探测。最终，在202公里、303公里、404公里、505公里分别获得111.74 kbps、23.44 kbps、2.80 kbps、338 bps的成码率。该工作验证了城际距离的光纤长度条件下，双场量子密钥分发协议的仍具备较高的安全成码率。
研究亮点
1. 在最远1002公里实验室光纤中，验证了考虑有限码长效应条件下，实现双场量子密钥分发的可行性。创造了考虑现实数据长度条件下，光纤无中继量子密钥分发距离的世界纪录。
2. 通过对202公里到505公里等较短距离的信号态光强、时间占空比等参数进行优化，实现较高成码率。例如，在202公里获得111.74 kbps成码率。验证了在城际距离条件下，该协议的现实可用性。
图文导读
图1：实验装置。位于Charlie的种子光源（ =1548.51 nm, =1550.12 nm）通过PDH锁定到Charlie本地的超稳腔。随后，Charlie将两束种子光经由总长度共900 km的单模光纤发送到Alice和Bob，作为输入种子光源。Alice和Bob本地产生波长为 的激光，通过光学锁相环锁定到Charlie发送的种子光，作为量子态光源。Alice和Bob采用与量子态相同的波长，通过时分复用的方式调制产生“弱相位参考”。 Alice和Bob将Charlie发送的波长为的激光作为“强相位参考”信号，通过波分复用的方式与量子态信号在量子芯道中复用传输。经过强度、相位等调制器对“强、弱相位参考”信号、量子态等编码之后，Alice和Bob分别将信号通过量子信道发送到Charlie进行干涉与探测。
图2：Alice和Bob调制的脉冲序列。图2(a)，波长为 的激光在每100 ms周期内，包含前40 ms的“弱相位参考”信号与后60 ms的量子态信号；图2(b)，波长为 的激光在每1 µs周期内，前400 ns用于“弱相位参考”信号，后600 ns用于量子态信号；实验中，仅保留在100 ms周期的前40 ms内，且在1 µs周期内前400 ns的探测信号为“弱相位参考”；每100 ms周期的后60 ms内，且在1 µs周期内后600 ns的探测信号为量子态测量结果；图2(c)，波长为 的激光在每1 µs周期内，前400 ns用于“强相位参考”信号，后600 ns调制消光，以避免对量子态信号产生的非线性噪声干扰。
图3：实验结果。“+”形状符号为针对极限距离SNS-TF-QKD优化参数的实验结果‘实验中在1002 km的光纤距离条件，在考虑有限长度效应条件下，实现了0.0011 bps的成码率。“x”形状符号为针对城际距离SNS-TF-QKD优化参数的实验结果；实验中在202公里、303公里、404公里、505公里光纤距离条件下，分别获得111.74 kbps、23.44 kbps、2.80 kbps、338 bps的成码率。
作者简介
第一作者
刘洋 研究员
济南量子技术研究院
主要研究方向
量子密钥分发、量子随机数产生的实验研究。
主要研究成果
解决独立激光器双光子干涉问题，实验实现测量设备无关的量子密钥分发，彻底避免探测方可能存在的任何漏洞；发展远程独立激光器单光子相位干涉技术，实现双场量子密钥分发，在实验室验证最远1002 km光纤距离的密钥分发，在济南-青岛511 km现场光纤实现密钥分发；实现可抵御量子攻击的器件无关的量子随机数产生。
第一作者
张伟君 研究员
中国科学院上海微系统所
主要研究方向
长期从事超导单光子探测器（SSPD）的极限探测性能、器件阵列化及器件应用探索等方面的实验研究。
主要研究成果
首次在NbN材料上分别实现了探测效率超过90%的超导纳米线和微米线探测器、研制了高效率的光纤阵列耦合的器件阵列；发明了离子辐照调控SSPD技术等创新成果。所研制的SSPD探测器在量子信息等领域的应用合作中发挥了关键作用。在Nature、Science、PRL等SCI期刊上发表了100余篇论文，包括20多篇一作/通讯作者，获得了近10项发明专利授权。
作为负责人承担了国家自然科学基金委（面上2项、青基1项等）、中科院战略先导专项B等多个研究项目，入选中科院等人才项目。
通讯作者
尤立星 研究员
中国科学院上海微系统所
主要研究方向
超导电子器件及其应用。
主要研究成果
牵头承担科技部重点研发计划项目，掌握了高性能超导单光子探测SSPD器件及系统研制核心技术，系统整体性能达到国际先进水平，并实现了产业化；研制的SSPD成功应用于量子通信、光量子计算，有力推动了我国量子信息领域科技进步；发表论文230余篇，2018年获国际电工委员会IEC 1906奖；2019年获中国光学工程学会技术发明奖一等奖（排名第一）；2023年获欧洲应用超导学会ESAS国际应用超导杰出贡献奖“Award for Excellence”。
通讯作者
王向斌 教授
清华大学、济南量子技术研究院
主要研究方向
长期从事量子信息基础理论和实用化量子密钥分发研究。
主要研究成果
长江学者、杰出青年基金获得者。
国际上实用化量子密码理论领域开拓者之一，提出的诱骗态理论被国内外一百多个研究团队验证和应用，提出的可容忍较大校准误差的SNS协议被广泛应用于远距离QKD实验。
主持科技创新2030重大项目、863计划、国家自然科学面上基金等10余项项目；以第一或通讯作者身份发表PRL、Nature Photonics等100余篇。
培养优秀博士10余名，其中多人获得博士生国家奖学金、物理系优秀毕业生等荣誉和奖项。
通讯作者
张强 教授
中国科学技术大学、济南量子技术研究院
主要研究方向
长期从事量子通信和量子精密测量实验研究，实现测量器件无关量子密钥分发。
主要研究成果
创下并持续刷新量子密钥分发传输距离的世界纪录，解决了量子通信中的现实安全性和长距离传输难题，为量子密钥分发网络奠定技术基础；实现百公里自由空间时频传递，稳定度达到万秒E-19，验证星地高精度光频标比对的可行性；自主研发性能国际领先的周期极化铌酸锂波导，解决了量子通信中频率差异问题，摆脱核心器件对国外的依赖；实现无漏洞贝尔不等式检验，在国际上率先实现器件无关量子随机数和器件无关量子密钥分发，该成果被2022诺贝尔物理学奖科学背景文件引用。
在包括Review of Modern Physics（1篇）、Nature（7篇）、Nature Physics/Photonics (11篇）、PRL/X（46篇）等国际学术期刊发表论文130余篇，其中第一/通讯作者60余篇，SCI他引8800余次，Google Scholar 引用15000余次，h-index为61。研究成果入选美国物理学会的年度物理学重要进展一次，两院院士评选的年度“中国科技十大进展新闻”两次。
通讯作者
潘建伟 教授
中国科学技术大学
主要研究方向
主要从事量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验等方面的研究。作为国际上量子信息实验研究领域的开拓者之一，他是该领域有重要国际影响力的科学家。利用量子光学手段，他在量子调控领域取得了一系列有重要意义的研究成果，尤其是他关于量子通信、量子计算和多光子纠缠操纵的系统性创新工作使得量子信息实验研究成为近年来物理学发展最迅速的方向之一。
主要研究成果
潘建伟及其同事有关实现量子隐形传态的研究成果于1999年同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果一起被《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”。其研究成果曾多次入选英国《自然》杂志评选的年度重大科学事件、美国《科学》杂志评选的“年度十大科技进展”、英国或美国物理学会评选的年度物理学重大进展、两院院士评选的“中国年度十大科技进展新闻”。
往期回顾
中国工程物理研究院研究生院徐贲团队：磁性激发态的自适应第一性原理方法
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