從發射世界首顆量子衛星“墨子號”、開通世界首條量子保密通信幹線“京滬幹線”、到量子密鑰分發距離的不斷增加，我國量子通信技術始終處於世界前列。
而近日，中國科學技術大學潘建偉團隊與清華大學王向斌團隊更是再度強強聯合，突破了遠距離獨立激光相位干涉技術，實現 500 公里量級真實環境光纖的雙場量子密鑰分發（TF-QKD），從而再次刷新了量子密鑰分發傳輸距離的世界紀錄。
當地時間 2020 年 2 月 20 日，上述團隊名為 Sending-or-Not-Sending with Independent Lasers: Secure Twin-Field Quantum Key Distribution over 509 km（"發送-不發送"獨立激光器：509 公里安全雙場量子密鑰分發）的研究成果發表在世界著名物理學頂級學術週刊《物理學評論快報》（Physical Review Letters）上，併入選為“編輯推薦”文章。
“發送—不發送”的雙場量子密鑰分發方案
在密碼學中，密鑰（key）指用來完成加密、解密、完整性驗證等密碼學應用的秘密信息。實際上，自人類使用語言以來，通過密鑰給信息加密的技術就在不斷髮展。
1984 年，物理學家 Bennett 和密碼學家 Brassard 提出了基於量子力學測量原理的世界首個量子密鑰分發協議（BB84 協議），旨在增加安全通信距離、提高安全性。依據該協議提出的量子密鑰分發（QKD，即 quantum key distribution）可以為分隔兩地的用戶提供無條件的安全共享密鑰，在根本上保證了密鑰的安全性。
不過，由於受到通信光纖損耗、探測器噪聲等限制，量子密鑰分發系統通常只能在 100 公里內獲得較高的成碼率——在無量子中繼（中繼指兩個交換中心之間的一條傳輸通路）的情形下，安全成碼率受線性界限的約束。
【抗黑客攻擊量子密鑰分發示意圖】
基於此，一種新型量子密鑰分發方案——「“發送—不發送”的雙場量子密鑰分發方案」應運而生，該方案由清華大學物理系教授、清華大學密碼理論中心副主任、濟南量子技術研究院院長、該論文作者之一王向斌提出。
據悉，這種方案巧妙地利用單光子干涉的特性，大大提高了對相位噪聲的容忍能力和安全性，讓量子密鑰分發的成碼率在長距離的情況下也維持較高水平。
簡單來講，雙場量子密鑰就像是一對雙胞胎攜手，甚至可以在無中繼的情形下輕鬆突破成碼率線性界限。
2019 年，中國“量子之父”、中科院院士潘建偉及其團隊便在 300 公里真實環境的光纖中完成了雙場量子密鑰分發實驗。
不過雷鋒網瞭解到，雙場量子密鑰分發的技術要求相當苛刻：
要求兩個遠程獨立激光器的單光子級干涉；
需要通過單光子探測結果實現長距離光纖鏈路相對相位快速漂移的精準估計；
需要同時滿足高計數率、高效率及超低暗計數的單光子探測器。
量子密鑰分發傳輸距離世界新紀錄
此次，研究團隊正是應用了上述方案，在 509 公里長的超低損耗光纖上實驗證明了一種安全的密鑰分發，突破了無中繼量子密鑰的絕對密鑰速率限制，成功創造了地基量子密鑰分發最遠距離新的世界紀錄。
具體來講，潘建偉團隊基於王向斌提出的“發送-不發送”雙場量子密鑰分發方案，發展時頻傳輸技術和激光注入鎖定技術，將兩個獨立的遠程激光器的波長鎖定為相同，並利用附加相位參考光來估計光纖的相對相位快速漂移。同時，團隊結合了中科院上海微系統所研製的高計數率低噪聲單光子探測器，最終將量子密鑰分發的安全成碼距離推至 500 公里量級。
下圖為實驗裝置示意圖，Alice 和 Bob 為遠程鎖頻穩定連續波激光器，由相位調製器（PM）和三個強度調製器（IM1、IM2、IM3）調製，用於相位隨機化、編碼和誘餌強度調製。
另外，圖中 ATT 為衰減器，PC 為偏振控制器，PBS 為偏振分束器，DWDM 為密集波分複用器，CIR 為循環器，BS 為分束器，FM 為法拉第鏡，PD 為光電二極管。
根據論文，509 公里處的光纖成碼率比傳統無中繼量子密鑰分發的相對界限高 7 倍以上，即超過了理想的探測裝置（探測器效率為 100%）下的無中繼量子密鑰分發成碼極限。
此外，如果將系統重複頻率升級至京滬幹線等遠距離量子通信網絡中採用的 1GHz，300 公里處成碼率可達 5kbps，從而大量減少骨幹光纖量子通信網絡中的可信中繼數量，大幅提升光纖量子保密通信網絡的安全性。
實際上，當地時間 2020 年 3 月 2 日，國際學術期刊《自然》子刊《自然·光子學》（Nature Photonics） 刊登了潘建偉院士等人的另一篇研究成果，名為 Implementation of quantum key distribution surpassing the linear rate-transmittance bound（超過線性速率-透射率界限的量子密鑰分發的實施情況）。
雷鋒網注意到，該研究是以清華大學教授馬雄峰提出的相位匹配量子密鑰分發（PM-QKD）協議為基礎，進一步推進了遠程量子通信的發展，為方興未艾的量子互聯網打下基礎。
2019 年 9 月 10 日，在中國科學院與德國國立科學院（Leopoldina）聯合舉辦的第一屆雙邊研討會上，潘建偉院士曾表示：
在人類實現遠距離安全量子通信的征途上有兩大挑戰，分別是現實條件下的安全性問題和遠距離傳輸問題。
可見，此次研究對量子通信來說意義不凡，在此雷鋒網也期待我國科研人員帶來的更多突破！
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.070501
https://mp.weixin.qq.com/s/YHC1zdEAQ2TQKsXk1J52NA
https://www.nature.com/articles/s41566-020-0599-8
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