又一世界纪录：北京量子院实现615公里开放式架构双场量子密钥分发

光子盒研究院出品

2月18日，北京量子信息科学研究院袁之良团队，利用光频梳技术首次实现开放式架构双场量子密钥分发系统，完成615公里光纤量子密钥分发实验。相关研究成果发表在国际学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）上[1]。

2012年，多伦多大学的H. K. Lo等人提出了测量设备无关（Measurement-Device-Independent, MDI）的QKD协议，可以消除探测器侧信道漏洞，同时可以极大的增大通信距离。

在MDI-QKD中发送方Alice和接收方Bob分别随机制备BB84弱相干态，然后发送给一个不可信的第三方Charlie进行贝尔态测量，根据Charlie公布的贝尔态测量结果Alice和Bob建立安全的密钥。

综合真实环境里的安全性以及传输距离，MDI-QKD是目前最优的远距离光纤量子密钥分发方案。但是MDI-QKD也有缺点。

传统MDI-QKD采用双光子符合事件作为有效探测事件，即接收方Charlie每产生一次用来成码的有效探测需要消耗两个光子，其安全成码率随着信道衰减线性下降，因此，在无量子中继的情形下，传统MDI-QKD的安全成码率是无法突破线性成码极限的。

如果能做到每次用来成码的有效探测所消耗的光子数比传统MDI-QKD更少，那么就可以在相同的信道损耗下获得比传统MDI-QKD更多的有效探测，从而获得比线性成码极限更高的成码率。这就是双场量子密钥分发（TF-QKD）方案。

TF-QKD是利用单光子干涉作为有效探测事件的MDI-QKD。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MDI-QKD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，TF-QKD较传统MDI-QKD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。

a）传统测量设备无关量子密钥分发；b）双场量子密钥分发。来源：墨子沙龙

2020年3月，中国科学技术大学潘建伟院士团队与清华大学、山东济南量子技术研究院等机构合作，突破了远距离独立激光相位干涉技术，实现了500公里量级真实环境光纤的双场量子密钥分发（TF-QKD）。随着东芝实现600公里双场量子密钥分发[2]，创造了新的记录：值得注意的是，创造这一纪录的也是袁之良团队。

在这一最新进展之前，去年英国电信和东芝宣布部署英国首个工业量子安全网络。在英国国家复合材料中心(NCC)和英国建模与仿真中心(CFMS)之间传输数据，东芝的多路复用兼容性允许数据和量子密钥在同一光纤上传输，消除了对昂贵的密钥分发专用基础设施的需求。

多路复用QKD利用现有的短距离基础设施和长距离的双场QKD技术的结合，为商业上可行的全球量子安全网络铺平了道路。

双场协议的实现需要两个异地的独立激光源在第三方远程节点处实现稳定的单光子干涉，但通信双方激光源的微小频差与长距离光纤造成的快速相位漂移都对干涉有重要影响。目前，传统的方案是在遥远两地间架设服务光纤作为传输媒介，然后通过时频传输或者光学锁相环等技术，完成两地激光源的频率锁定，这种闭合光纤架构（见图a）非常不利于多节点的广域量子保密网络应用。

a）传统闭合光纤架构；b）北京量子院研发的开放式架构

实验装置

袁之良团队基于自主开发的相干边带稳相与异地激光源频率校准技术，研制出首个开放式架构、无需服务光纤的新型双场量子密钥分发系统（见图b），实现了低损耗光纤四百公里级、五百公里级、六百公里级的安全成码，并且打破无中继量子密钥分发的码率界限，还成功演示了臂长差为百公里的量子密钥分发实验（目前最长臂长差记录）。

相较之前的实验成果，量子信号光的相位漂移速率降低1000多倍，大大降低相位参考光的噪声影响，有助于光纤量子密钥分发距离向千公里级别突破。基于光频梳的开放式架构有利于未来构建多用户多节点的城际量子保密网络，并对基于单光子干涉的分布式量子网络具有重要意义。

不仅是北京量子院的首席科学家，2022年11月底，袁之良还因“在量子保密通信领域杰出和持续的贡献”而当选了美国光学学会会士[3]。

袁之良于2021年4月回国全职加入量子院，领导光量子通信与器件团队从事量子通信核心技术和关键器件的研发，提出并实现世界首个无需光频异地传输的双场量子密钥分发技术，实现了600km新型双场量子密钥分发系统。

袁之良长期致力于高速光纤量子密钥系统研究，先后演示了世界上第一个百公里（2003）、第一个兆比特(2008)、第一个十兆比特和第一次突破600公里（2020）量子密钥分发系统。其他代表性成果主要有：首次演示单光子发光二极管（2001），自差分单光子探测器（2006），直接相位调制量子通信用光源（2015）和量子密钥双场协议（2017）。相关研究成果在Nature, Nature Photonics和Science等国际知名期刊上已发表论文130余篇。

参考链接：

[1] https://www.nature.com/articles/s41467-023-36573-2

[2] https://www.nature.com/articles/s41566-021-00811-0

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/ILA1TRXq72lLtzHRlKQNOA?scene=25#wechat_redirect

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