近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、彭承志、張強等與清華大學(xué)教授王向斌、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員尤立星等合作，首次在國際上實現(xiàn)了基于遠(yuǎn)距離自由空間信道的測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)（MDI-QKD）實驗。相關(guān)研究成果以編輯推薦（Editors' Suggestion）形式在線發(fā)表在《物理評論快報》上（Phys. Rev. Lett. 125, 260503 (2020)）。美國物理學(xué)會Physics網(wǎng)站以Securing a Wireless Link with Quantum Physics為題，專門對該研究進行了報道。該研究不僅將MDI-QKD從光纖信道拓展到自由空間信道，也開啟了在自由空間信道中實現(xiàn)基于遠(yuǎn)距離量子干涉的更復(fù)雜的量子信息處理任務(wù)的可能。
MDI-QKD協(xié)議利用雙光子干涉技術(shù)，消除了探測端的安全漏洞，無需對測量端的量子設(shè)備進行安全性假設(shè)，其被認(rèn)為是各種量子密鑰分發(fā)協(xié)議中的最佳候選協(xié)議之一。自2012年首次提出以來，MDI-QKD協(xié)議已在光纖信道上得到快速發(fā)展，在距離更遠(yuǎn)、密鑰速率更高和網(wǎng)絡(luò)驗證等方面取得了進展。然而，由于光纖存在固有損耗的問題，量子信號不能像經(jīng)典通信那樣被放大。根據(jù)數(shù)據(jù)測算，通過1200公里的光纖，即使有每秒百億發(fā)射率的單光子源和完美的探測器，也需數(shù)百萬年才能建立一個比特的密鑰。
自由空間信道是另外一種重要的信道。外太空幾乎真空，因而光信號損耗小，所以通過衛(wèi)星的輔助可擴展量子通信距離。近年來，隨著“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的成功，基于衛(wèi)星平臺和地面光纖網(wǎng)相結(jié)合的量子通信已成為構(gòu)建覆蓋全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的可行手段。盡管MDI-QKD在光纖中得到了實現(xiàn)，但由于大氣湍流的存在，如何在不穩(wěn)定的信道中實現(xiàn)量子干涉具有挑戰(zhàn)性，這使MDI-QKD未能在自由空間信道中實現(xiàn)。
由于自由空間信道的大氣湍流破壞了空間模式，在進行干涉測量前，需用單模光纖進行空間濾波，由此帶來的耦合效率低下和強度漲落是該研究的兩大難點。為了解決耦合效率低下的問題，研究人員開發(fā)出一種基于隨機梯度下降算法的、具有抵抗強湍流能力的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，使雙鏈路總信道效率提升約4~10倍。光強的快速漲落使光纖MDI-QKD系統(tǒng)中的時鐘傳遞、光頻比對方法難以直接應(yīng)用于自由空間信道中。為此，研究人員在三個實驗點分別使用了超穩(wěn)晶振作為獨立時鐘源（Allen方差8×10-14）；通過測量脈沖到達時間實時反饋，得到32 ps的獨立時鐘同步精度；在兩個編碼端分別使用HCN分子吸收池校準(zhǔn)光頻，使干涉光的頻率差小于10 MHz，從而實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離獨立激光器之間的鎖頻。
得益于上述研究成果，研究人員利用王向斌提出的四強度優(yōu)化協(xié)議，最終在上海城市大氣信道中實現(xiàn)了第一個自由空間MDI-QKD實驗。兩個信道長度分別為7.7 km和11.5 km，通信雙方Alice和Bob間距離為19.2 km，該距離超過了地球大氣的等效厚度，這表明該研究向著基于衛(wèi)星的MDI-QKD邁出堅實一步。此外，在MDI-QKD以外的量子信息任務(wù)中，實現(xiàn)獨立單光子在自由空間信道中長距離傳播后的量子干涉是不可避免的。該研究發(fā)展的相關(guān)技術(shù)為在自由空間進行量子干涉的相關(guān)量子實驗（如量子中繼器、量子網(wǎng)絡(luò)）開辟了道路，有利于在大空間尺度中探索量子力學(xué)與廣義相對論融合等基本問題。
研究工作得到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院、上海市和安徽省的支持。
遠(yuǎn)距離自由空間MDI-QKD實驗裝置圖
