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來源: 第一財經(jīng)資訊 6月23日，中國科學技術大學網(wǎng)站消息稱，中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉及其同事張強、陳騰云與濟南量子技術研究院王向斌、劉洋等合作，突破現(xiàn)場遠距離高性能單光子干涉技術，憑借時頻傳輸技術和激光注入鎖定技術，實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄500公里量級現(xiàn)場無中繼光纖量子密鑰分發(fā)。相關研究成果分別發(fā)表于國際著名學術期刊《物理評論快報》和《自然·光子學》上。 為實現(xiàn)長距離光纖量子網(wǎng)絡鋪路 上述研究成果成功創(chuàng)造了現(xiàn)場光纖無中繼QKD最遠距離新的世界紀錄，在超過500公里的光纖成碼率打破了傳統(tǒng)無中繼QKD所限定的成碼率極限，即超過了理想探測裝置下的無中繼QKD成碼極限，在實際環(huán)境中證明了雙場量子密鑰分發(fā)（TF-QKD）的可行性，并為實現(xiàn)長距離光纖量子網(wǎng)絡鋪平了道路。 具體而言，最新發(fā)表的這項研究利用中科院上海微系統(tǒng)所尤立星小組研制的超導探測器，基于“濟青干線”現(xiàn)場光纜，分別采用激光注入鎖定實現(xiàn)了428公里TF-QKD，同時利用時頻傳遞技術實現(xiàn)了511公里TF-QKD。 量子不可克隆原理保證了密鑰分發(fā)的無條件安全性，而未知量子態(tài)的不可克隆性，也使得QKD不能像經(jīng)典光通信那樣通過光放大對傳輸進行中繼，因此實際應用中QKD的傳輸距離受到光纖損耗的限制。 2016年，潘建偉團隊就曾在《物理評論快報》發(fā)表研究成果，在國際上首次實現(xiàn)超過400公里抵御量子黑客攻擊的測量設備無關量子密鑰分發(fā)，當時創(chuàng)造了量子保密通信新的世界紀錄，并被國際審稿人高度評價為“量子密鑰分發(fā)和量子通信最遠傳輸記錄”以及“打破BB84協(xié)議下單光子源的傳輸終極極限”的中國成果。 此前，潘建偉團隊已經(jīng)在實驗室內(nèi)實現(xiàn)超過500公里TF-QKD的驗證，然而，在實際場景的苛刻環(huán)境下實現(xiàn)TF-QKD是極其困難的。這是由于在實驗室內(nèi)溫度、振動以及人活動引起的聲音等噪聲都可以被有效隔離，但現(xiàn)場環(huán)境中這些是不可避免的。這些外界的干擾會導致現(xiàn)場光纜一天相應的長度和偏振變化速率比實驗室光纖快兩到三個數(shù)量級；損耗也要比實驗室光纖高約10%；串擾引起的噪聲比單光子探測器的本底噪聲高兩個數(shù)量級以上。 據(jù)中國科大介紹，潘建偉團隊基于王向斌提出的“發(fā)送-不發(fā)送”雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議，發(fā)展射頻傳輸技術和激光注入鎖定技術，將現(xiàn)場相隔幾百公里的兩個獨立激光器的波長鎖定為相同；再針對現(xiàn)場復雜的鏈路環(huán)境，開發(fā)了光纖長度及偏振變化實時補償系統(tǒng)；并設計了QKD光源的波長，并通過窄帶濾波將串擾噪聲濾除；最后結合中科院上海微系統(tǒng)所研制的高計數(shù)率低噪聲單光子探測器，在現(xiàn)場將無中繼光纖QKD的安全成碼距離推至500公里以上。 “過去400公里量級的密鑰分發(fā)已經(jīng)是極限了，這次團隊利用了新的技術才實現(xiàn)了500公里量級的雙場量子密鑰分發(fā)，意義重大。”一位曾在中國科大量子通信實驗室擔任研究員的專家對第一財經(jīng)記者表示。 構建天地一體量子通信網(wǎng)絡 近一年多來，潘建偉團隊成果不斷。今年5月，我國首個可操縱的超導量子計算機體系“祖沖之號”問世，該成果將為促進中國在超導量子系統(tǒng)上實現(xiàn)量子優(yōu)越性奠定技術基礎，也為后續(xù)具有重大實用價值的通用量子計算的研發(fā)提供支持。 今年1月，潘建偉團隊在《自然》雜志上發(fā)表了題為“跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡”的論文，驗證了廣域量子保密通信技術在實際應用中的條件已初步成熟。 潘建偉表示：“我們的工作表明，量子通信技術對于大規(guī)模的實際應用已經(jīng)足夠成熟。類似地，如果把來自不同國家的國家量子網(wǎng)絡合并在一起，并且如果大學，機構和公司聚集在一起以標準化相關協(xié)議、硬件等，則可以建立全球量子通信網(wǎng)絡。” 去年12月，潘建偉團隊成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解，使我國成為全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。 從九章量子計算機原型的發(fā)布到證明廣域量子保密通信技術在實際應用中的條件已成熟，中國在量子科技領域取得了跨越式的發(fā)展，未來中國將構建天地一體的有量子通信安全保障的未來互聯(lián)網(wǎng)。 中國科大教授陳宇翱此前曾對第一財經(jīng)記者表示，未來中國量子通信技術的發(fā)展方向主要有三個，一個是通過與經(jīng)典密碼學的結合，從而實現(xiàn)量子通信安全性的定量化；另一個是量子通信系統(tǒng)的芯片化、小型化和低成本化；第三個是完善建網(wǎng)的方式以及協(xié)議的更新。 量子技術應用公司夸密（Quakey）創(chuàng)始人CEO張文卓對第一財經(jīng)記者表示：“量子信息技術將掀起第四次科技革命，也是第二次信息革命，但整個學科絕大部分還處于科研階段，僅有量子加密技術成熟到可以廣泛應用。目前行業(yè)仍然缺少能夠用前沿量子加密技術去解決信息安全問題的專業(yè)企業(yè)。” |
