继首次实验验证了远距离双场量子密钥分发可行性，在300公里真实环境的光纤中实现了双场量子密钥分发实验后，济南量子技术研究院王向斌教授、刘洋研究员与中国科学技术大学潘建伟院士团队再次合作，实现了509公里真实环境光纤的双场量子密钥分发（TF-QKD）。该成果成功创造了量子密钥分发最远传输距离新的世界纪录，推动新一代远距离城际量子密钥分发迈上了新的台阶。
在量子密钥分发（QKD）的长距离实际应用中，信道损耗是最严重的限制因素。现有的基于诱骗态BB84方案的QKD以及测量设备无关量子密钥分发（MDI-QKD）采用双光子复合事件作为有效探测事件，使其安全成码率随信道衰减线性下降，在无量子中继的情形下，安全成码率受线性界限的约束，而TF-QKD利用单光子干涉作为有效探测事件，使安全成码率随信道衰减的平方根线性下降，甚至可以在无中继的情形下轻松突破QKD成码率线性界限。然而，TF-QKD的实施条件相当苛刻，要求两个远程独立激光器的单光子级干涉，同时需要通过单光子探测结果实现长距离光纤链路相对相位快速漂移的精准估计。
该研究成果理论方面基于济南量子技术研究院王向斌教授提出的“发送-不发送”的双场量子密钥分发协议，大幅提高了系统对相位噪声的容忍能力；实验方面张强教授团队采用了时频传输技术，将两个独立的远程激光器的波长锁定为相同，并利用附加相位参考光来估计光纤的相对相位快速漂移，确保了测量器件无关的安全属性。最终在实验室内将QKD安全成码距离成功拓展至509公里，打破了传统无中继QKD所限定的绝对理论成码率极限，即超过了理想的探测装置（探测器效率为100%）下的无中继QKD成码极限。同时，与其他双场QKD实验相比，该研究在安全性上拥有独特优势：既是测量设备无关的，又充分考虑了有限码长下的安全性。如果将系统重复频率升级至京沪干线等远距离量子通信网络中采用的1GHz，在300公里处，成码率可达5kbps，这将大量减少骨干光纤量子通信网络中的可信中继数量，大幅提升光纤量子保密通信网络的安全性。
相关研究成果于2月20日（北京时间）在线发表在国际权威学术期刊《物理评论快报》上（Phys. Rev. Lett. 124, 070501 （2020）），王向斌教授和张强教授为论文共同通讯作者。该工作被《物理评论快报》审稿人评论为“在双场量子密钥分发实验的安全密钥率及有限码长分析方面取得了显著的提升”，被《物理评论快报》选为“编辑推荐”论文。
该工作得到了山东省泰山学者工程、山东省重点研发计划项目、济南高新区管委会的资助。
中非科学家提出网络安全新方案
近日，南非约翰内斯堡的金山大学（WITS）物理学院安德鲁·福布斯（Andrew Forbes）教授和他的团队，以及中国武汉的华中科技大学光电子科学与工程学院王健（Jian Wang）带领的团队共同提出，全球量子网络需要长距离分布纠缠态，可以通过一条传统的光纤链路，就能实现多维纠缠传输模式的新方法，这将有助于在传统网络中跨传统光纤进行部署。该项研究成果登在了知名科学期刊《Science Advances》（科学进步）上。
新的研究成果是一项为大众造福的光纤量子通讯技术，将现有的量子通信与偏振光子的优势，以及利用光模式进行的高维通信的优势结合在一起，对网络安全以及数据传输领域有着非常重要的作用。
“普通人总是想要更好的通信系统，更快地下载他们喜爱的电影和社交媒体。但如今，我们也开始认识到信息安全的重要性。这项研究成果，通过光纤量子数据传输新方式，使数据更加安全，不管哪个国家有什么样的技术，我们的工作是建立一个基本安全的量子网络形态，而这项研究成果是其中重要的一步。”Forbes 对钛媒体表示。
更为重要的是，该研究成果或将在未来通过金砖国家发展合作机制，进行更密切的深度合作。中非两国强强联合，抵抗网络安全危机，意义深远而重大。
量子通信是量子网络当中最为关键的一部分，融合了现代物理学和光通信技术研究的成果，由物理学基本原理来保证密钥分配过程的无条件安全性。量子密钥分发（QKD）根据所利用量子状态特性的不同，可以分为基于测量和基于纠缠态两种。
而本论文提到的“基于纠缠态的量子通信”，就是其中之一，即两个经过耦合的微观粒子，在一个粒子状态被测量时，同时会得到另一个粒子的状态。
简单来说，量子通信就是提供无条件安全量子网络的通信方式。
按照该论文的说法，当前的通信系统非常快，但是从根本上来说，这并不是绝对安全的。而 Forbes 和王健团队的科研人员，希望打破目前的技术瓶颈，不再利用定制化的光纤电缆，通过传统单模光纤方式，实现高维编码，即多维纠缠传输模式，让通信更安全。
Forbes 表示，这篇论文的新颖之处在于，其展示了传统单模光纤中的多维纠缠传输，很好的平衡了网络兼容性和通信安全性。以两个自由度扭曲、偏振被扭曲以形成螺旋光，图案也是如此，用于量子通信领域实践当中。事实上，他们还在论文当中还展示了在250m 的单模光纤上的多维纠缠态的转移，表明可以实现无数个二维子空间。
Forbes 告诉钛媒体，接下来，他们还将做更多的测试，并且需要做100公里以上的测试环境，希望尝试开发新的量子协议等等。
关于中非两国科研人员在本研究当中的分工，Forbes 对钛媒体表示，王健的团队带来更好的光纤专业知识，而 Forbes 团队拥有量子方面的专业研究，两者属于强强联合，希望实现未来量子网络的新范例。
原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_441369.html
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