融合量子密鑰分發(fā)和光纖振動(dòng)傳感，研究院實(shí)現658公里遠距離光纖傳感

  近日，濟南量子技術(shù)研究院張強、王向斌、劉洋與中國科大潘建偉院士團隊等合作，實(shí)現一套融合量子密鑰分發(fā)和光纖振動(dòng)傳感的實(shí)驗系統，在完成光纖雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)(TF-QKD)的同時(shí)，實(shí)現658公里遠距離光纖傳感，定位精度達到1公里，大幅突破傳統光纖振動(dòng)傳感技術(shù)的距離難以超過(guò)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》(Physical Review Letters)上，并被美國物理學(xué)會(huì )(APS)下屬網(wǎng)站“Physics”報道。

  光纖振動(dòng)傳感以光纖作為傳感器進(jìn)行振動(dòng)感知，通過(guò)利用單根光纖同時(shí)實(shí)現振動(dòng)監測和信號傳輸，由于具有靈敏度高、響應快、結構簡(jiǎn)單、分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，在結構健康監測、油氣管道泄漏監測、周界防護和地震監測等工程領(lǐng)域具有廣泛的應用前景，因此引起廣泛關(guān)注。當前，光纖振動(dòng)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?xún)?，科研人員面臨的重要技術(shù)挑戰就是克服距離限制，實(shí)現遠距離的光纖振動(dòng)傳感。

  量子密鑰分發(fā)(QKD)則基于量子力學(xué)基本原理，結合“一次一密”的加密方式，可以實(shí)現無(wú)條件安全的保密通信。因為其重要的現實(shí)意義，過(guò)去幾十年來(lái)，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(xiàn)性界限，被認為是實(shí)現超遠距離光纖QKD的最優(yōu)方案。然而，TF-QKD技術(shù)要求相當苛刻，需要兩個(gè)遠程獨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(dòng)都會(huì )積累相位噪聲而降低單光子干涉的質(zhì)量。

  在實(shí)際應用中，沿光纖鏈路的聲音、振動(dòng)等噪聲不可避免，因此，TF-QKD實(shí)驗過(guò)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)或數據后處理補償。一般來(lái)說(shuō)，這些相位變化的信息在QKD實(shí)驗結束后會(huì )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(guò)分析相位變化信息，再結合振動(dòng)的特性，即可獲得振動(dòng)信息并進(jìn)行定位，從而實(shí)現超遠距離光纖振動(dòng)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)頻傳輸等關(guān)鍵技術(shù)，精確控制兩臺獨立激光器的頻率，與中國科大團隊合作，利用附加相位參考光來(lái)估算光纖的相對相位快速漂移，恢復加載在光纖信道上的人工可控振源產(chǎn)生的外部擾動(dòng)，最終實(shí)現658公里的光纖雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)和光纖振動(dòng)傳感，對鏈路上人工振源的擾動(dòng)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 )架構不僅能實(shí)現超長(cháng)距離分發(fā)安全密鑰，同也能應用于超長(cháng)距離振動(dòng)傳感，實(shí)現廣域量子通信網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)的融合。

  近年來(lái)，研究院與國際頂尖科學(xué)團隊強強聯(lián)合，不斷在量子通信領(lǐng)域取得突破。2019年，在世界上首次驗證遠距離雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā);2020年，刷新光纖量子通信最遠傳輸距離世界紀錄至509公里;2021年，采用兩種不同的技術(shù)方案分別實(shí)現428公里和511公里雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)，創(chuàng )造現場(chǎng)無(wú)中繼光纖量子密鑰分發(fā)最遠傳輸距離新的世界紀錄，實(shí)現地面跨度4600公里的天地一體多用戶(hù)量子密鑰分發(fā)。

  論文鏈接：

  https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.180502

  Physics報道鏈接：

  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)計劃項目、山東省自然科學(xué)基金項目、濟南高新區管委會(huì )的資助。