量子通信获重要进展，我国首次在自由空间信道实现测量设备无关量子密钥分发

王大大142

解放日报上观新闻报道：近日，中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、张强等与清华大学王向斌、中科院上海微系统所尤立星等人合作，首次在国际上实现了基于远距离自由空间信道的测量设备无关量子密钥分发（MDI-QKD）实验。这项成果不仅实现了将 MDI-QKD从光纤信道拓展到自由空间信道的突破，也开启了在自由空间信道中实现基于远距离量子干涉的更复杂的量子信息处理任务的可能。相关成果于 2020 年 12 月 23 日以编辑推荐的形式在线发表在《物理评论快报》上。美国物理学会相关网站以 " 量子物理保证无线通信安全 " 为题专门对该工作做了报道。
MDI-QKD 协议利用双光子干涉技术消除了探测端的所有安全漏洞，无需对测量端的量子设备进行任何安全性假设，被认为是各种量子密钥分发协议中的最佳候选协议之一。自 2012 年首次提出以来，MDI-QKD 协议已在光纤信道上得到快速发展，在距离更远、密钥速率更高和网络验证等方向取得了一系列突破。然而，光纤存在固有损耗，量子信号又不能像经典通信那样被放大。根据测算，通过 1200 公里的光纤，即使有每秒百亿发射率的单光子源和完美的探测器，也需要数百万年才能建立一个比特的密钥。
除了光纤，自由空间信道是另一种重要的信道，由于外太空几乎是真空，光信号损耗非常小，因此通过卫星的辅助可以极大扩展量子通信距离。近年来，随着 " 墨子号 " 量子科学实验卫星的成功，基于卫星平台和地面光纤网相结合的量子通信已成为构建覆盖全球量子通信网络最为可行的手段。尽管 MDI-QKD 在光纤中得到了成功的实现，但由于大气湍流的存在，如何在如此不稳定的信道中实现量子干涉成为了巨大的挑战，这也使得 MDI-QKD 一直未能在自由空间信道中实现。


远距离自由空间 MDI-QKD 实验装置图
由于自由空间信道的大气湍流破坏了空间模式，在进行干涉测量前需要用单模光纤进行空间滤波，由此带来的耦合效率低下和强度涨落是本实验的两大难点。为了解决耦合效率低下的问题，研究团队首先开发了一种基于随机梯度下降算法的具有抵抗强湍流能力的自适应光学系统，使双链路总信道效率提升约 4 到 10 倍。光强的快速涨落使得光纤 MDI-QKD 系统中的时钟传递、光频比对方法难以直接应用于自由空间信道中。为此，实验团队在三个实验点分别使用了超稳晶振作为独立时钟源，并通过测量脉冲到达时间实时反馈，得到 32 皮秒的独立时钟同步精度。
得益于一系列技术突破，实验团队利用清华大学王向斌教授的四强度优化协议，最终在上海城市大气信道中实现了第一个自由空间 MDI-QKD 实验。
栏目主编：黄海华 本文作者：黄海华 文字编辑：黄海华 题图来源：新华社 资料图 图片编辑：项建英
题图：在中国科大量子存储实验室内，潘建伟院士在了解科研情况文中内图来源：中科大官网