融合量子密鑰分發(fā)和光纖振動(dòng)傳感，研究院實(shí)現(xiàn)658公里遠(yuǎn)距離光纖傳感

  近日，濟(jì)南量子技術(shù)研究院張強(qiáng)、王向斌、劉洋與中國(guó)科大潘建偉院士團(tuán)隊(duì)等合作，實(shí)現(xiàn)一套融合量子密鑰分發(fā)和光纖振動(dòng)傳感的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在完成光纖雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)(TF-QKD)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)658公里遠(yuǎn)距離光纖傳感，定位精度達(dá)到1公里，大幅突破傳統(tǒng)光纖振動(dòng)傳感技術(shù)的距離難以超過(guò)100公里的限制。相關(guān)研究成果以“編輯推薦”的形式發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上，并被美國(guó)物理學(xué)會(huì)(APS)下屬網(wǎng)站“Physics”報(bào)道。

  光纖振動(dòng)傳感以光纖作為傳感器進(jìn)行振動(dòng)感知，通過(guò)利用單根光纖同時(shí)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)和信號(hào)傳輸，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、油氣管道泄漏監(jiān)測(cè)、周界防護(hù)和地震監(jiān)測(cè)等工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，因此引起廣泛關(guān)注。當(dāng)前，光纖振動(dòng)傳感多使用分布式聲波傳感技術(shù)，其傳感距離被限制在100公里以內(nèi)，科研人員面臨的重要技術(shù)挑戰(zhàn)就是克服距離限制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的光纖振動(dòng)傳感。

  量子密鑰分發(fā)(QKD)則基于量子力學(xué)基本原理，結(jié)合“一次一密”的加密方式，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)條件安全的保密通信。因?yàn)槠渲匾默F(xiàn)實(shí)意義，過(guò)去幾十年來(lái)，QKD一直是國(guó)際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。

  2018年提出的TF-QKD協(xié)議，可以突破QKD成碼率的線性界限，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離光纖QKD的最優(yōu)方案。然而，TF-QKD技術(shù)要求相當(dāng)苛刻，需要兩個(gè)遠(yuǎn)程獨(dú)立激光器的單光子干涉，光源頻率微小的偏差以及光纖鏈路任何波動(dòng)都會(huì)積累相位噪聲而降低單光子干涉的質(zhì)量。

  在實(shí)際應(yīng)用中，沿光纖鏈路的聲音、振動(dòng)等噪聲不可避免，因此，TF-QKD實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要實(shí)時(shí)探測(cè)環(huán)境噪聲引起的光纖相位變化，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)或數(shù)據(jù)后處理補(bǔ)償。一般來(lái)說(shuō)，這些相位變化的信息在QKD實(shí)驗(yàn)結(jié)束后會(huì)被丟棄。事實(shí)上，這些“冗余”信息反映了光纖中透射光的實(shí)時(shí)相位變化，通過(guò)分析相位變化信息，再結(jié)合振動(dòng)的特性，即可獲得振動(dòng)信息并進(jìn)行定位，從而實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離光纖振動(dòng)傳感。

  基于王向斌教授提出的“發(fā)”或“不發(fā)送”TF-QKD(SNS-TF-QKD)協(xié)議，科研人員利用時(shí)頻傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，精確控制兩臺(tái)獨(dú)立激光器的頻率，與中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)合作，利用附加相位參考光來(lái)估算光纖的相對(duì)相位快速漂移，恢復(fù)加載在光纖信道上的人工可控振源產(chǎn)生的外部擾動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)658公里的光纖雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)和光纖振動(dòng)傳感，對(duì)鏈路上人工振源的擾動(dòng)位置進(jìn)行了定位，精度優(yōu)于1公里。

  上述研究成果表明，TF-QKD網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不僅能實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離分發(fā)安全密鑰，同也能應(yīng)用于超長(zhǎng)距離振動(dòng)傳感，實(shí)現(xiàn)廣域量子通信網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)的融合。

  近年來(lái)，研究院與國(guó)際頂尖科學(xué)團(tuán)隊(duì)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，不斷在量子通信領(lǐng)域取得突破。2019年，在世界上首次驗(yàn)證遠(yuǎn)距離雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā);2020年，刷新光纖量子通信最遠(yuǎn)傳輸距離世界紀(jì)錄至509公里;2021年，采用兩種不同的技術(shù)方案分別實(shí)現(xiàn)428公里和511公里雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)，創(chuàng)造現(xiàn)場(chǎng)無(wú)中繼光纖量子密鑰分發(fā)最遠(yuǎn)傳輸距離新的世界紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)地面跨度4600公里的天地一體多用戶量子密鑰分發(fā)。

  論文鏈接：

  https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.180502

  Physics報(bào)道鏈接：

  https://physics.aps.org/articles/v15/63

  該工作得到了山東省泰山學(xué)者工程、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、濟(jì)南高新區(qū)管委會(huì)的資助。