近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、、張強(qiáng)與清華大學(xué)教授王、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員尤合作，在世界范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了基于長距離free//k0/]信道的測量設(shè)備無關(guān)的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。相關(guān)研究成果以編輯推薦的形式在線發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。美國物理學(xué)會(huì)的物理網(wǎng)站名為“確保與量子物理的無線鏈接”，專門報(bào)道了這項(xiàng)研究。該研究不僅將MDI-QKD從光纖信道擴(kuò)展到自由空信道，還為在自由空信道中實(shí)現(xiàn)基于長距離量子干涉的更復(fù)雜的量子信息處理任務(wù)開辟了可能性。

MDI-QKD協(xié)議使用雙光子干涉技術(shù)消除檢測端的安全漏洞，不需要承擔(dān)測量端量子器件的安全性。它被認(rèn)為是各種量子密鑰分發(fā)協(xié)議中最好的候選協(xié)議之一。自2012年首次提出以來，MDI-QKD協(xié)議在光纖通道中發(fā)展迅速，在距離更遠(yuǎn)、密鑰速率更高和網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證等方面取得了進(jìn)展。然而，由于光纖的固有損耗，量子信號(hào)不能像經(jīng)典通信一樣被放大。根據(jù)數(shù)據(jù)，即使有一個(gè)發(fā)射率幾百億每秒的單光子源和一個(gè)完美的探測器，通過1200公里的光纖建立一個(gè)一位密鑰也需要幾百萬年。

免費(fèi)空頻道是另一個(gè)重要頻道。外太空空幾乎是真的空，所以光信號(hào)損耗小，可以借助衛(wèi)星擴(kuò)大量子通信距離。近年來，隨著墨子量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的成功，基于衛(wèi)星平臺(tái)和地面光纖網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的量子通信成為構(gòu)建全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的可行手段。雖然MDI-QKD已經(jīng)在光纖中實(shí)現(xiàn)，但由于大氣湍流的存在，在不穩(wěn)定信道中實(shí)現(xiàn)量子干涉具有挑戰(zhàn)性，這使得MDI-QKD無法在自由空信道中實(shí)現(xiàn)。

由于自由空信道中的大氣湍流破壞了空之間的模式，在干涉測量前需要用單模光纖在空之間進(jìn)行濾波，導(dǎo)致耦合效率低，強(qiáng)度波動(dòng)大。為了解決耦合效率低的問題，研究人員開發(fā)了一種基于隨機(jī)梯度下降算法的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，可以抵抗強(qiáng)湍流，將雙鏈路的總信道效率提高約4-10倍。光強(qiáng)的快速波動(dòng)使得光纖MDI-QKD系統(tǒng)中的時(shí)鐘傳輸和光頻比較方法難以直接應(yīng)用于自由空通道。為此，研究人員在三個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)使用超穩(wěn)定晶體振蕩器作為獨(dú)立時(shí)鐘源；通過測量脈沖到達(dá)時(shí)間的實(shí)時(shí)反饋，獲得了32 ps的獨(dú)立時(shí)鐘同步精度，利用HCN分子吸收池標(biāo)定了兩個(gè)編碼端的光頻，使得干涉光的頻差小于10 MHz，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程獨(dú)立激光器之間的鎖頻。

基于以上研究成果，研究人員利用王提出的四強(qiáng)度優(yōu)化協(xié)議，在上?？諝馔ǖ缹?shí)現(xiàn)了首個(gè)自由空MDI-實(shí)驗(yàn)。兩條通道的長度分別為7.7公里和11.5公里，愛麗絲和鮑勃之間的距離為19.2公里，超過了地球大氣層的等效厚度，這表明該研究是向基于衛(wèi)星的MDI-QKD邁出的堅(jiān)實(shí)一步。另外，在MDI-QKD以外的量子信息任務(wù)中，自由空信道中長距離傳播后，不可避免地會(huì)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立單光子的量子干涉。本研究開發(fā)的相關(guān)技術(shù)為自由空中與量子干涉相關(guān)的量子實(shí)驗(yàn)開辟了一條道路，有利于探索大空尺度下量子力學(xué)與廣義相對(duì)論融合等基礎(chǔ)問題。

研究工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院、上海和安徽省重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃的支持。

長途免費(fèi)空 MDI-QKD實(shí)驗(yàn)裝置圖