最新！中国建成世界首个500公里无中继量子通信网络

光子盒研究院出品

东芝欧洲公司最近在英国剑桥实现了600公里双场量子密钥分发(TF-QKD)，打破了由中国科学技术大学潘建伟、张强和清华大学王向斌团队保持的500公里纪录，但是设备都放在一个单独的实验室里。而在6月21日发表于《自然·光子学》的一篇论文显示，上述中国团队在511公里的光纤链路上实现了TF-QKD，并在没有任何可信中继的情况下，连接济南和青岛两个城市。

这是世界上第一个无可信中继的长距离光纤QKD网络。此前，2000多公里的京沪量子干线采用了32个可信中继。由于可信中继无法实现量子安全，存在一定风险，因此无中继量子通信对于保证量子密钥分发的无条件安全有着重大意义。

研究团队精确地控制两个500公里远的独立激光源的波长，并快速补偿通道中任何微小的相位波动。然后，通过511公里的超低损耗光纤（包括430公里的长距离光纤和81公里的光纤线轴，总损耗为89.1 dB）的总信道长度对TF-QKD进行了现场测试，连接山东的济南和青岛。

在收集了4.7小时的有限尺度和波动分析数据后，511公里的安全密钥率(3.37×10^-8/脉冲)高于绝对Pirandola-Laurenza-Ottaviani-Banchi（PLOB）界限。(在量子力学中，基本定律PLOB界限阻止了量子通信同时实现长距离传输和高速率两个参数)

511公里无中继QKD网络

在济南和青岛之间有一个测量站，位于临沂市马站镇。

长距离QKD网络的线缆中包含12根光纤，其中3根分别用于传输量子信号、光同步信号和激光频率锁定信号，其余9根用于经典光纤通信。所有12根光纤均为G.654.E超低损耗光纤，标称损耗为0.158 dB/km。

利用时频传播信号锁定济南和青岛两台独立激光器的频率。此外，对于同步信道和波长锁定信道，大约每隔70公里使用掺铒光纤放大器来放大信号。同时，没有任何中继节点。

与研究团队之前在实验室进行的TF-QKD实验类似，Alice（青岛）和Bob（济南）使用独立的激光器：商用千赫兹连续波光纤激光器被锁定在两侧的超低膨胀玻璃腔中作为光源。Alice和Bob激光器的线宽都小于1 Hz。Alice激光器的中心波长设定为1550.12460纳米。然后他们把光分成两部分，一部分用来传输量子信号，另一部分用来锁定波长。

最后，在济南和青岛之间511公里的光纤中，用两个独立的激光源对SNS-TF-QKD（采用sending-or-not-sending协议的TF-QKD）进行了实验验证。该QKD网络生成的安全密钥速率比无中继QKD协议的绝对密钥速率限值高了一个数量级，比采用相同长度的QKD现场测试系统的预期值高了三个数量级。

研究团队的工作证明了TF-QKD在实际环境中的可行性，为实现长距离光纤量子网络铺平了道路。

对于最近东芝和中国研究团队的竞争，论文通讯作者之一张强表示，两个实验室在扩大彼此的距离记录方面存在良性竞争。但实验室和野外是完全不同的环境，“在实验室里，你可以控制温度，但在野外，当温度变化时，你会观察到光子相位漂移，”他说。

英国萨塞克斯大学的Peter Kruger评价:“把实验室里的东西变成实地的东西，我认为他们做得很好。在实验室里，所有人都被禁止说话，因为这会破坏实验，而且很明显，但在现场你无法控制这一点。数百公里以上的单光子相当了不起。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41566-021-00828-5

[2]https://www.newscientist.com/article/2281591-quantum-data-link-established-between-two-distant-chinese-cities/

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