北京量子院在实际场景双场量子密钥分发方面取得突破

来源：北京量子院

双场量子密钥分发协议具有密钥速率随信道透过率平方根尺度下降的优势，是超远距离量子密钥分发的新方向。近日，北京量子信息科学研究院首席科学家袁之良和意大利、英国科学家将量子计量技术和量子通信领域关键需求结合起来，在意大利三地长达206公里的光纤传输线路上成功演示了相干相位的精准传输，为双场量子密钥分发提供了高效实用的解决方案。2022年1月10日，相关工作以《Coherent phase transfer for real-world twin-field quantum key distribution》为题在《自然·通讯》（Nature Communications）上发表。

传统量子密钥分发（QKD）码率随光纤距离每百公里约减小100倍，400公里后会减小1亿倍，剩余码率变得忽略不计。2018发表的双场协议【Nature 557， 400 （2018）】扭转了这个状况，同样400公里码率只有1万倍的衰减，而不是先前的1亿倍。这是由于通信双方都是发射方，其光信号在光纤信道中途相遇，只受到一半信道损耗。由于长距离通信上的巨大优势，双场协议迅速被国际上多个团队采用，光纤传输距离在实验室和实地均已突破600公里。

双场实验难点是通信双方光信号各自通过数百公里光纤后，相互间相位还必须要保持稳定，现有解决办法是激光频率克隆加上实时相位反馈。为了保证相位稳定性不受激光频率漂移影响，通信双方两个独立的数百公里光路长度须保持一致，实际部署时需要使用额外光纤来进行长度补偿，十分不方便。

北京量子院首席科学家袁之良和合作者们使用双波段稳相技术，第一次将量子计量中光频梳技术引入到量子通信领域，解决了双场协议相位稳定的需求，从而显著提高了双场QKD的实用性。在意大利量子干线网络中Bardonecchia、Torino和 Santhia三地长达206公里的光纤传输线路上成功演示了相干相位的精准传输，其中不等臂的两路距离分别为114公里和92公里，两个光路距离差达22公里。量子计量中超稳频率传输技术在未来有望成为支撑分布式量子传感网络、量子密钥分发网络的关键技术。

袁之良参与设计了该实验方案。

图1：a) 实验所在地地图。b)意大利量子干线(The Italian Quantum Backbone)地图, 红色部分为此次实验线路。c) 实验装置。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27808-1

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