中國科大量子通信領域重要進展：首次在自由空間信道實現(xiàn)測量設備無關量子密鑰分發(fā)實驗

  來自中國科大的消息顯示，近日，中國科大潘建偉及其同事彭承志、張強等與清華大學王向斌，中科院上海微系統(tǒng)所尤立星等人合作，首次在國際上實現(xiàn)了基于遠距離自由空間信道的測量設備無關量子密鑰分發(fā)(MDI-QKD)實驗。這項實驗成果不僅實現(xiàn)了將MDI-QKD從光纖信道拓展到自由空間信道的突破，也開啟了在自由空間信道中實現(xiàn)基于遠距離量子干涉的更復雜的量子信息處理任務的可能。

  據(jù)了解，MDI-QKD協(xié)議利用雙光子干涉技術消除了探測端的所有安全漏洞，無需對測量端的量子設備進行任何安全性假設，被認為是各種量子密鑰分發(fā)協(xié)議中的最佳候選協(xié)議之一。該協(xié)議自2012年首次提出以來，已在光纖信道上得到快速發(fā)展，在距離更遠、密鑰速率更高和網(wǎng)絡驗證等方向取得了一系列突破。

  然而，由于光纖存在固有損耗，量子信號不能像經(jīng)典通信那樣被放大;自由空間信道方面，外太空幾乎真空的環(huán)境下光信號損耗非常小，通過衛(wèi)星輔助可極大擴展量子通信距離。

  近年來，隨著“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星的成功，基于衛(wèi)星平臺和地面光纖網(wǎng)相結合的量子通信已成為構建覆蓋全球量子通信網(wǎng)絡最為可行的手段。

  由于自由空間信道的大氣湍流破壞了空間模式，在進行干涉測量前需要用單模光纖進行空間濾波，由此帶來的耦合效率低下和強度漲落是本實驗的兩大難點。

  為解決耦合效率低下的問題，研究團隊開發(fā)了一種基于隨機梯度下降算法的具有抵抗強湍流能力的自適應光學系統(tǒng)，使雙鏈路總信道效率提升了約4倍到10倍。并通過測量脈沖到達時間實時反饋，得到32皮秒的獨立時鐘同步精度;用新技術方案使干涉光的頻率差小于10兆赫，從而實現(xiàn)遠距離獨立激光器之間的鎖頻。

  基于這些技術突破，實驗團隊利用清華大學王向斌教授的四強度優(yōu)化協(xié)議，最終在上海城市大氣信道中實現(xiàn)了第一個自由空間MDI-QKD實驗。兩個信道長度分別為7.7 km和11.5 km，通信雙方Alice和Bob間距離為19.2 km，該距離也遠遠超過了地球大氣的等效厚度，這意味著該實驗成果也向著基于衛(wèi)星的MDI-QKD邁出堅實一步。

  除此之外，該實驗發(fā)展的相關技術為在自由空間進行量子干涉的相關量子實驗開辟了道路，如量子中繼器、量子網(wǎng)絡，以及在大空間尺度中探索量子力學與廣義相對論融合等基本問題。

圖1 遠距離自由空間MDI-QKD實驗裝置圖

  該工作的共同第一作者為曹原副研究員、博士后李宇懷和博士研究生楊奎星。上述研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院、上海市和安徽省的支持。