基于孪生双场量子密钥分发协议（TF-QKD），中国科学家在实验室内首次将光纤量子密钥分发的安全成码距离推至500公里以上，创造了光纤量子密钥分发的新纪录，并且在超过500公里的光纤成码率打破了传统无中继量子密钥分发所限定的绝对成码率极限。相关研究成果发表在Physical Review Letters（并被选为“编辑推荐”文章）和Nature Photonics上。

作者 | 陈玖鹏

编辑 | 王佳

可信中继和量子中继

远距离光纤量子通信过程中，信道传递的量子态会随着通信距离的增加呈指数减少，极大地限制了量子通信的有效传输距离。若设置量子通信网络中继站，将一段长距离光纤信道分割成多段距离比较短的信道，可使得量子信号不再随距离的增加而指数衰减，从而扩展量子通信的距离。实现量子通信网络中继站的方式，我们通常有两种选择——可信中继和量子中继。

所谓的可信中继，其实就是严密监控下的传统中继站，这个中继站在按照传统的方式储存数据，比如说用磁盘。发送方和接收方知道的所有数据，中继站也都知道。可信中继明显的缺点就是数据储存在中继站，为了保证其安全，就需要通过人力来确保中继站是在严密监控下的。

而量子中继是让发送方和接收方通过它建立连接，但中继站本身并不存储数据。发送方和接收方知道的数据，中继站并不知道。因此，量子中继器不存在数据泄露的问题。即使有内鬼，最糟也只是让量子中继不能运行，但不能偷到数据。量子中继需要用到量子存储器存储一些对窃听者无用的中间量子态，然而，目前的量子存储性能有限，实现实用化量子中继器还需假以时日。

突破无量子中继的线性成码极限

那么无量子中继的线性成码极限是否就真的无法突破了呢？答案是否定的。如果我们能做到每次用来成码的有效探测所消耗的光子数比传统测量设备无关量子密钥分发更少，那么我们就可以在相同的信道损耗下获得比传统测量设备无关量子密钥分发更多的有效探测，从而获得比线性成码极限更高的成码率。这就是我们接下来要说的孪生双场量子密钥分发方案。

孪生双场量子密钥分发

所谓的孪生双场量子密钥分发，即利用单光子干涉作为有效探测事件的测量设备无关量子密钥分发，如图2（b）所示：

图2.（a）传统测量设备无关量子密钥分发；（b）双场量子密钥分发

接收方Charlie每产生一次用来成码的有效探测只需要消耗一个光子，比传统测量设备无关量子密钥分发探测消耗的光子少一个，从而使其安全成码率提升至随信道衰减的平方根下降，因此在长距离传输情形下，孪生双场量子密钥分发较传统测量设备无关量子密钥分发具有更高的成码率以及更远的成码距离，甚至可以在无量子中继的情形下轻松突破量子密钥分发的成码率线性极限。

技术难点与实验实现

我们已经了解到，孪生双场量子密钥分发的核心是利用单光子干涉。与此同时，将单光子干涉结果作为有效探测，也使得孪生双场量子密钥分发实施起来十分困难。要在Charlie实现稳定的单光子干涉，首先需要将Alice和Bob两个远程独立激光器的波长锁定为一致，以消除Alice和Bob激光器波长不同所引起的相位差，其次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。

如此一来，与传统相位编码的测量设备无关量子密钥分发相比较，孪生双场量子密钥分发的发送方在编码时序上需要增加附加相位参考光脉冲，且接收方需要根据附加相位参考光脉冲的干涉结果，来评估传输过程中长距离光纤链路引入的相对相位快速漂移。如图3所示，孪生双场量子密钥分发在编码时序上，除了原本信息编码的量子光区间（脉冲强度为单光子水平），还增加了强的参考光区间（强光脉冲）——用于光纤链路相对相位快速漂移的精准估计，以及单光子探测器经历强光后的恢复时间（不发光）。此外，由于增加了强的相位参考光脉冲，孪生双场量子密钥分发实验的单光子探测器需要同时满足高计数率、高效率及超低暗计数。

图3. PM-QKD编码时序

光纤量子密钥分发的新纪录

中国科学技术大学潘建伟实验小组分别基于清华大学王向斌提出的“发送-不发送”的孪生双场量子密钥分发协议和马雄峰提出的相位匹配孪生双场量子密钥分发协议，发展时频传输技术和激光注入锁定技术，将两个独立的远程激光器的波长锁定为相同，以及利用附加相位参考光来估计光纤的相对相位快速漂移并进行相位后处理。同时结合中国科学院上海微系统与信息技术研究所研制的高计数率、低噪声单光子探测器，最终在实验室内首次将光纤量子密钥分发的安全成码距离推至500公里以上，创造了光纤量子密钥分发的新纪录，并且在超过500公里的光纤成码率打破了传统无中继量子密钥分发所限定的绝对成码率极限，即超过了理想的探测装置（探测器效率为100%）下的无中继量子密钥分发成码极限。

在未来，科学家们还会将孪生双场量子密钥分发应用于实地，实现城际之间安全的光纤量子密钥分发，并且如果将孪生双场量子密钥分实验系统的重复频率进一步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。

关于“墨子沙龙”

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