中國科大量子通信領(lǐng)域重要進(jìn)展：首次在自由空間信道實(shí)現測量設備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗

  來(lái)自中國科大的消息顯示，近日，中國科大潘建偉及其同事彭承志、張強等與清華大學(xué)王向斌，中科院上海微系統所尤立星等人合作，首次在國際上實(shí)現了基于遠距離自由空間信道的測量設備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)(MDI-QKD)實(shí)驗。這項實(shí)驗成果不僅實(shí)現了將MDI-QKD從光纖信道拓展到自由空間信道的突破，也開(kāi)啟了在自由空間信道中實(shí)現基于遠距離量子干涉的更復雜的量子信息處理任務(wù)的可能。

  據了解，MDI-QKD協(xié)議利用雙光子干涉技術(shù)消除了探測端的所有安全漏洞，無(wú)需對測量端的量子設備進(jìn)行任何安全性假設，被認為是各種量子密鑰分發(fā)協(xié)議中的最佳候選協(xié)議之一。該協(xié)議自2012年首次提出以來(lái)，已在光纖信道上得到快速發(fā)展，在距離更遠、密鑰速率更高和網(wǎng)絡(luò )驗證等方向取得了一系列突破。

  然而，由于光纖存在固有損耗，量子信號不能像經(jīng)典通信那樣被放大;自由空間信道方面，外太空幾乎真空的環(huán)境下光信號損耗非常小，通過(guò)衛星輔助可極大擴展量子通信距離。

  近年來(lái)，隨著(zhù)“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗衛星的成功，基于衛星平臺和地面光纖網(wǎng)相結合的量子通信已成為構建覆蓋全球量子通信網(wǎng)絡(luò )最為可行的手段。

  由于自由空間信道的大氣湍流破壞了空間模式，在進(jìn)行干涉測量前需要用單模光纖進(jìn)行空間濾波，由此帶來(lái)的耦合效率低下和強度漲落是本實(shí)驗的兩大難點(diǎn)。

  為解決耦合效率低下的問(wèn)題，研究團隊開(kāi)發(fā)了一種基于隨機梯度下降算法的具有抵抗強湍流能力的自適應光學(xué)系統，使雙鏈路總信道效率提升了約4倍到10倍。并通過(guò)測量脈沖到達時(shí)間實(shí)時(shí)反饋，得到32皮秒的獨立時(shí)鐘同步精度;用新技術(shù)方案使干涉光的頻率差小于10兆赫，從而實(shí)現遠距離獨立激光器之間的鎖頻。

  基于這些技術(shù)突破，實(shí)驗團隊利用清華大學(xué)王向斌教授的四強度優(yōu)化協(xié)議，最終在上海城市大氣信道中實(shí)現了第一個(gè)自由空間MDI-QKD實(shí)驗。兩個(gè)信道長(cháng)度分別為7.7 km和11.5 km，通信雙方Alice和Bob間距離為19.2 km，該距離也遠遠超過(guò)了地球大氣的等效厚度，這意味著(zhù)該實(shí)驗成果也向著(zhù)基于衛星的MDI-QKD邁出堅實(shí)一步。

  除此之外，該實(shí)驗發(fā)展的相關(guān)技術(shù)為在自由空間進(jìn)行量子干涉的相關(guān)量子實(shí)驗開(kāi)辟了道路，如量子中繼器、量子網(wǎng)絡(luò )，以及在大空間尺度中探索量子力學(xué)與廣義相對論融合等基本問(wèn)題。

圖1 遠距離自由空間MDI-QKD實(shí)驗裝置圖

  該工作的共同第一作者為曹原副研究員、博士后李宇懷和博士研究生楊奎星。上述研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院、上海市和安徽省的支持。