量子|量子密钥分发的新纪录让城市间量子通信网络又近一步

影响量子密钥分发传输距离的首要因素是信噪比。原则上只要充分抑制噪声就可以提升传输距离。但也不能说噪声为零，就可以传输无限远，这是因为线路除了噪声还存在衰减，衰减会使得密钥生成率降低，密钥率太低则无法满足任何实际应用需要，即使没有噪声，也失去了应用价值。
韩正甫
中国科学技术大学教授
近日，知名学术期刊《自然·光子学》在线发表了来自中国科学技术大学（以下简称中科大）的一项研究成果。中科大郭光灿院士团队的韩正甫教授及其合作者，近期实现了833公里光纤量子密钥分发，将量子密钥分发安全传输距离世界纪录提升了200余公里，向实现千公里陆基量子保密通信迈出重要一步。
量子密钥分发基于量子物理的基本原理，在信息安全层面上提供了窃听可感知的密钥分发手段。光量子是量子信息的天然载体，但线路中不可避免的损耗限制了量子密钥分发的安全距离，这也是制约广域量子保密通信网络部署和应用的关键因素之一。因此，如何延长光量子密钥分发直接传输的安全距离，是当前极具挑战的难点和焦点之一。
那么，在833公里长的光纤上完成量子密钥分发，这个世界纪录是怎样创造出来的？
信噪比和衰减决定传输距离
“光量子密钥分发直接传输的安全距离逐步逼近1000公里级，为未来广域量子通信网奠定了很好的基础。 ”韩正甫向采访人员解释，将来构建的广域量子通信网，能够分布在多个城市，并且拥有城际骨干线路和具有城域子网。 “拥有这样的分层结构的量子通信网络，可为较多用户提供服务。 ”
【量子|量子密钥分发的新纪录让城市间量子通信网络又近一步】韩正甫告诉采访人员，影响量子密钥分发传输距离的首要因素是信噪比。噪声包括信道扰动、探测器暗计数等。原则上只要充分抑制噪声就可以提升传输距离。 “但是也不是说噪声为零，就可以传输无限远。 ”韩正甫进一步解释道，这是因为线路除了噪声还存在衰减，衰减会使得密钥生成率降低，密钥率太低则无法满足任何实际应用需要，即使没有噪声，也失去了应用价值。因此决定传输距离的主要因素是信噪比和衰减。
“我们团队一直致力于实现长距离量子密钥分发， 2012年创造了206公里的纪录。 2018年的时候我们在双场协议的理论和实验方面做出了一些关键性突破，实现了300公里光纤信道的双场实验，这是国际上首个在光纤信道中突破理论极限的实验。 ”韩正甫说，这些工作中，课题组发展了协议理论分析的方法，突破了光源相位锁定、信道相位补偿等几项关键技术，这为其实现833公里光纤量子密钥分发奠定了基础。
“量子通信一直是竞争激烈的国际赛道。 ”韩正甫告诉采访人员，目前国际上比较有竞争力的团队是位于英国的东芝剑桥研究所，他们是双场协议原始理论提出者，实验上也实现了600公里的双场系统。此外，英国利兹大学、日本东京大学等在理论方面也有所造诣。
突破双场协议理论
2018年，英国科学家提出的双场量子密钥分发协议突破了原有的理论极限，而且其对理论的完善和对实验技术的开拓极具挑战性。
“以前的协议一般是单光子协议，虽然也需要用到相干态，但是相干态是本地制备的，通过不等臂干涉，相位补偿也比较容易。 ”韩正甫说，双场协议不同于之前的协议，该协议主要基于可干涉的远程异地制备的相干态，这就对光源提出了非常苛刻的要求。不仅光源，双场协议还要求一对相干态经过不同的、远程信道传输后还可以实现接近完美的干涉，这意味着信道相位补偿也很有挑战性。

量子|量子密钥分发的新纪录 让城市间量子通信网络又近一步

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