中國科大完成光纖雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā) 首次實(shí)現658公里遠距離光纖傳感

  ICC訊    來(lái)自中國科大的消息顯示，近日，中國科大潘建偉、張強等與濟南量子技術(shù)研究院王向斌、劉洋等合作，實(shí)現了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)現了658公里遠距離光纖傳感，定位精度達到1公里，大幅突破了傳統光纖振動(dòng)傳感技術(shù)距離難以超過(guò)100公里的限制。

  圖源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

  據悉，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，因此引起了人們的廣泛關(guān)注和研究。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)?，面臨的一個(gè)重要技術(shù)挑戰是如何克服距離限制，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，QKD一直是過(guò)去幾十年來(lái)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。但事實(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，可能來(lái)源于沿光纖鏈路的振動(dòng)擾動(dòng)或者溫度漂移。通過(guò)分析這些相位變化信息，再結合振動(dòng)的一些特性，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。

  “在構建TF-QKD系統的同時(shí)，我們付出了巨大的努力來(lái)補償通道中的相位波動(dòng)，”張強表示。

  潘建偉、張強研究組基于濟南量子技術(shù)研究院王向斌提出的“發(fā)”或“不發(fā)送”TF-QKD(SNS-TF-QKD)協(xié)議，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;隨后，研究組與中國科大陳旸和趙東鋒合作，利用附加相位參考光來(lái)估算光纖的相對相位快速漂移，恢復了加載在光纖信道上的人工可控振源產(chǎn)生的外部擾動(dòng);最后結合中科院上海微系統所尤立星團隊研制的高計數率低噪聲單光子探測器，最終實(shí)現了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。

  研究成果表明，TF-QKD網(wǎng)絡(luò )架構不僅能夠實(shí)現超長(cháng)距離分發(fā)安全密鑰，同時(shí)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。

  相關(guān)研究成果以“編輯推薦”的形式在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上發(fā)表，并被美國物理學(xué)會(huì )(APS)下屬網(wǎng)站“Physics”報道。本研究論文的第一作者是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生陳玖朋和張馳。

  “在如此長(cháng)的距離上檢測振動(dòng)令人印象深刻，”多倫多大學(xué)量子信息專(zhuān)家Hoi-Kwong Lo表示。他指出，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了類(lèi)似的技術(shù)來(lái)感知沿光纖的振動(dòng)，例如最近一項使用水下通信光纖檢測地震的實(shí)驗 。該論文的作者之一，來(lái)自英國國家物理實(shí)驗室的Giuseppe Marra表示，新的QKD演示遵循與他和其他先前工作相同的概念?！盎谶@種技術(shù)的未來(lái)QKD鏈路可以從已安裝的光纖中提供有用的額外地震信息，”他說(shuō)。

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