前沿进展 | 开放式架构双场量子密钥分发

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，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 km光纤量子密钥分发实验。

相关研究成果以“Twin-field quantum key distribution without optical frequency dissemination”为题发表在Nature Communications上。

2023 | 前沿进展

02 研究背景

量子密钥分发基于量子物理的基本原理和一次一密的加密方式，可实现无条件安全通信。2018年英国东芝欧洲研究所提出新型双场协议，使得安全成码率以信道衰减的平方根线性下降，在无中继的情况下可突破码率界限，是实现500 km以上光纤量子通信的可行方案。

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1.a）非常不利于多节点的广域量子保密网络应用。

图1 (a)传统闭合光纤架构；(b)北京量子院研发的开放式架构

03 研究创新点

该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（图1.b与图2）。系统重复频率为1 GHz，Alice和Bob通过电光调制器生成相干边带，选取其中相距100 GHz的两根梳齿分别作为相位参考光（λc）与量子信号光（λq）。基于超导纳米线单光子探测器的反馈信号（平均计数率13 MHz），高速稳相模块的实时反馈速率为200 kHz，相位稳定后相位参考光的标准差小于0.1 rad。根据相位补偿信号，还可实时提取出相距六百公里以上光纤的异地激光源间的频率差，确保系统的长时间运行。

图2 双场量子密钥分发实验系统图。(a) 相干边带生成；(b)编码模块

基于新型双场量子密钥分发系统，该团队最终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；成功演示了臂长差为百公里的量子密钥分发实验，Alice和Bob到Charlie端的光纤长度分别是153 km和254 km（目前最长臂长差记录），该系统架构将有助于星型网络的实现。

04 总结与展望

相较之前的实验成果，量子信号光的相位漂移速率降低一千多倍，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。

北京量子信息科学研究院周来助理研究员为该论文第一作者，首席科学家袁之良为通讯作者，作者还包括光量子通信与器件团队的林锦平工程师，荆雨芒助理研究员。该项工作得到了国家自然科学基金的支持。北京量子信息科学研究院为唯一通讯单位。

论文链接：

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

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编辑 | 方紫璇

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