融合量子密鑰分發(fā)和光纖振動傳感，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(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)光纖振動傳感技術(shù)的距離難以超過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《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters)上，并被美國物理學(xué)會(APS)下屬網(wǎng)站“Physics”報(bào)道。

  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(shí)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，因此引起廣泛關(guān)注。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)，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)無條件安全的保密通信。因?yàn)槠渲匾默F(xiàn)實(shí)意義，過去幾十年來，QKD一直是國際學(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(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(shí)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(shí)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。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，通過分析相位變化信息，再結(jié)合振動的特性，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。

  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)，精確控制兩臺獨(dú)立激光器的頻率，與中國科大團(tuán)隊(duì)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)加載在光纖信道上的人工可控振源產(chǎn)生的外部擾動，最終實(shí)現(xiàn)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。

  上述研究成果表明，TF-QKD網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不僅能實(shí)現(xiàn)超長距離分發(fā)安全密鑰，同也能應(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。

  近年來，研究院與國際頂尖科學(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公里雙場量子密鑰分發(fā)，創(chuàng)造現(xiàn)場無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)管委會的資助。