量子密钥分发(QKD)的目的是产生由两个远程方共享的安全私钥，其安全性受到量子力学原理的保护；不过，在QKD的实际应用中仍然存在一些技术挑战。其中，最主要的就是距离限制：这是由于量子信号不能被放大，而信道损耗与光纤中的光子传输距离成指数关系。在近日发表在arXiv的预印版论文中，中科大潘建伟、张强团队使用3个强度的发送/不发送协议(sending-or-not-sending protocol)与主动奇偶校验配对方法(actively-odd-parity-pairing method)，实现了超过1002公里的、基于光纤的双场QKD——这是迈向未来大规模量子网络的关键一步。
在量子力学定律的保护下，量子密钥分发(QKD)可以通过光子传输在远程各方之间分发秘密私钥。鉴于安全方面的优势，QKD的实际应用也存在一些障碍。最大的挑战是QKD中使用的单光子级弱光的信道损耗。由于量子信号不能被完美地克隆，这就严重限制了实用QKD的安全距离。
信道传输率随着距离的增加而呈指数级下降，因此，信道和检测噪声使QKD系统无法在长距离内产生安全密钥。此外，随着长距离QKD中预示事件的数量减少，无源密钥的缺陷成为一个问题，这也减少了密钥比特(key bit)的生成。
在过去几十年间，对QKD的广泛研究在实际应用方面已经取得了很大的进展；同时，随着理论和技术上的一些明显的突破，安全距离也得到了极大的提高，特别是在提出双场QKD(TF-QKD)之后。
传统QKD协议的密钥率与信道透射率(channel transmittance)η呈线性关系；TF-QKD将这种关系提高到√η——而不使用量子存储器或可信中继。这为点对点QKD的安全距离的延长和大规模量子网络的可信中继提供了一个很好的途径。
到目前为止，TF-QKD已经在实验室通过高达830公里的光纤进行了实验演示，并在都市之间通过511公里的部署光纤进行了实地测试[17]。
此次，实验团队展示了在长距离光纤上使用发送或不发送(SNS)协议的TF-QKD。实验中，量子信号被调制为3个强度、16个相位，遵循3个强度的SNS-TF-QKD协议。
实验设置。在Charlie的站点，两个激光器（λ1=1548.51纳米和λ2=1550.12纳米）被锁定在一个超稳定的腔体上，然后合并，并通过450公里的单模光纤分配给Alice(Bob)。在Alice(Bob)的站点，λ2用光学锁相环(optical phase-locked loop, OPLL)再生。λ2的光被编入编码为“暗相参考(dim phase reference)”和量子信号，然后与λ1的“强相参考(strong phase reference)” 进行波长复用。来自Alice和Bob的信号被传送给Charlie进行干扰。干扰结果用SNSPD测量。额外的SNSPD用于监测Alice和Bob的信号强度、偏振和Charlie的相对延迟。BS，分束器；PBS，偏振分束器；IM，强度调制器，PM，相位调制器；ATT，衰减器；DWDM，密集波分复用；CIR，光循环器；EDFA，掺铒光纤放大器；DCM，色散补偿模块；EPC，电子偏振控制器。
安全密钥率的模拟和实验结果。+形点是团队使用长距离优化的参数实验结果，×形点是使用短距离优化的参数实验结果。实心曲线是考虑到“有限大小效应(finite size effect)”的仿真结果。圆圈标记表示已有文献中最先进的TF-QKD结果。
901公里和1002公里之间的光纤长度的实验结果。最终，实验团队在渐进制度(the asymptotic regime)下实现了1002公里的分发距离，考虑到有限大小效应(finite size effect)，团队实现了952公里的分发距离；此外，通过202公里频带实现了47.06 kbps的安全密钥率。此次突破意味着团队实验证明了SNS-TF-QKD通过超长光纤通道的可行性。实现超长距离实验的主要因素包括超低损耗光纤、超低噪声的SNSPD和时间复用的双频相位稳定方法。通过较短光纤的安全密钥率适用于许多实际场景，这项工作中开发的技术将在量子通信中得到更普遍的应用。https://arxiv.org/abs/2303.15795每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！