中國科大完成光纖雙場量子密鑰分發(fā) 首次實(shí)現(xiàn)658公里遠(yuǎn)距離光纖傳感

  ICC訊    來自中國科大的消息顯示，近日，中國科大潘建偉、張強(qiáng)等與濟(jì)南量子技術(shù)研究院王向斌、劉洋等合作，實(shí)現(xiàn)了一套融合量子密鑰分發(fā)和光纖振動傳感的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在完成光纖雙場量子密鑰分發(fā)(TF-QKD)的同時，實(shí)現(xiàn)了658公里遠(yuǎn)距離光纖傳感，定位精度達(dá)到1公里，大幅突破了傳統(tǒng)光纖振動傳感技術(shù)距離難以超過100公里的限制。

  圖源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

  據(jù)悉，光纖振動傳感以光纖作為傳感器進(jìn)行振動感知，通過利用單根光纖同時實(shí)現(xiàn)振動監(jiān)測和信號傳輸，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、油氣管道泄漏監(jiān)測、周界防護(hù)和地震監(jiān)測等工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，因此引起了人們的廣泛關(guān)注和研究。當(dāng)前，光纖振動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)，面臨的一個重要技術(shù)挑戰(zhàn)是如何克服距離限制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的光纖振動傳感。

  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，可實(shí)現(xiàn)無條件安全的保密通信。因?yàn)槠渲匾默F(xiàn)實(shí)意義，QKD一直是過去幾十年來國際學(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都會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、振動等噪聲不可避免，因此，TF-QKD實(shí)驗(yàn)過程中需要實(shí)時探測環(huán)境噪聲引起的光纖相位變化，并對其進(jìn)行實(shí)時或數(shù)據(jù)后處理補(bǔ)償。一般來說，這些相位變化的信息在QKD實(shí)驗(yàn)結(jié)束后會被丟棄。但事實(shí)上，這些“冗余”信息反映了光纖中透射光的實(shí)時相位變化，可能來源于沿光纖鏈路的振動擾動或者溫度漂移。通過分析這些相位變化信息，再結(jié)合振動的一些特性，即可獲得振動信息并進(jìn)行定位，從而實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離光纖振動傳感。

  “在構(gòu)建TF-QKD系統(tǒng)的同時，我們付出了巨大的努力來補(bǔ)償通道中的相位波動，”張強(qiáng)表示。

  潘建偉、張強(qiáng)研究組基于濟(jì)南量子技術(shù)研究院王向斌提出的“發(fā)”或“不發(fā)送”TF-QKD(SNS-TF-QKD)協(xié)議，利用時頻傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)精確控制兩臺獨(dú)立激光器的頻率;隨后，研究組與中國科大陳旸和趙東鋒合作，利用附加相位參考光來估算光纖的相對相位快速漂移，恢復(fù)了加載在光纖信道上的人工可控振源產(chǎn)生的外部擾動;最后結(jié)合中科院上海微系統(tǒng)所尤立星團(tuán)隊(duì)研制的高計(jì)數(shù)率低噪聲單光子探測器，最終實(shí)現(xiàn)了658公里的光纖雙場量子密鑰分發(fā)和光纖振動傳感，對鏈路上人工振源的擾動位置進(jìn)行了定位，精度優(yōu)于1公里。

  研究成果表明，TF-QKD網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)超長距離分發(fā)安全密鑰，同時也能應(yīng)用于超長距離振動傳感，實(shí)現(xiàn)廣域量子通信網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)的融合。

  相關(guān)研究成果以“編輯推薦”的形式在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上發(fā)表，并被美國物理學(xué)會(APS)下屬網(wǎng)站“Physics”報道。本研究論文的第一作者是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生陳玖朋和張馳。

  “在如此長的距離上檢測振動令人印象深刻，”多倫多大學(xué)量子信息專家Hoi-Kwong Lo表示。他指出，目前已經(jīng)開發(fā)了類似的技術(shù)來感知沿光纖的振動，例如最近一項(xiàng)使用水下通信光纖檢測地震的實(shí)驗(yàn) 。該論文的作者之一，來自英國國家物理實(shí)驗(yàn)室的Giuseppe Marra表示，新的QKD演示遵循與他和其他先前工作相同的概念?！盎谶@種技術(shù)的未來QKD鏈路可以從已安裝的光纖中提供有用的額外地震信息，”他說。

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