量子通信领域取得重要进展：首次在自由空间信道实现测量设备无关量子密钥分发实验

2020-12-31 08:11:42

近日，中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、张强等与清华大学王向斌，中科院上海微系统所尤立星等人合作，首次在国际上实现了基于远距离自由空间信道的测量设备无关量子密钥分发（MDI-QKD）实验。相关成果于2020年12月23日以编辑推荐（Editors' Suggestion）的形式在线发表在《物理评论快报》上（Phys. Rev. Lett. 125, 260503 (2020)）。美国物理学会Physics网站以“量子物理保证无线通信安全 ”（Securing a Wireless Link with Quantum Physics）为题专门对该工作做了报道。这项成果不仅实现了将MDI-QKD从光纤信道拓展到自由空间信道的突破，也开启了在自由空间信道中实现基于远距离量子干涉的更复杂的量子信息处理任务的可能。

MDI-QKD协议利用双光子干涉技术消除了探测端的所有安全漏洞，无需对测量端的量子设备进行任何安全性假设，被认为是各种量子密钥分发协议中的最佳候选协议之一。自2012年首次提出以来，MDI-QKD协议已在光纤信道上得到快速发展，在距离更远、密钥速率更高和网络验证等方向取得了一系列突破。然而由于光纤存在固有损耗，量子信号又不能像经典通信那样被放大。根据数据测算，通过1200公里的光纤，即使有每秒百亿发射率的单光子源和完美的探测器，也需要数百万年才能建立一个比特的密钥。

对于另一种重要的信道，也就是自由空间信道，由于外太空几乎真空因而光信号损耗非常小，所以通过卫星的辅助可以极大扩展量子通信距离。近年来，随着“墨子号”量子科学实验卫星的成功，基于卫星平台和地面光纤网相结合的量子通信已成为构建覆盖全球量子通信网络最为可行的手段。尽管MDI-QKD在光纤中得到了成功的实现，但由于大气湍流的存在，如何在如此不稳定的信道中实现量子干涉成为了巨大的挑战，这也使MDI-QKD一直未能在自由空间信道中实现。

由于自由空间信道的大气湍流破坏了空间模式，在进行干涉测量前需要用单模光纤进行空间滤波，由此带来的耦合效率低下和强度涨落是本实验的两大难点。为了解决耦合效率低下的问题，研究团队首先开发了一种基于随机梯度下降算法的具有抵抗强湍流能力的自适应光学系统，使双链路总信道效率提升约4~10倍。光强的快速涨落使得光纤MDI-QKD系统中的时钟传递、光频比对方法难以直接应用于自由空间信道中。为此，实验团队在三个实验点分别使用了超稳晶振作为独立时钟源（Allen方差8×10-14），并通过测量脉冲到达时间实时反馈，得到32 ps的独立时钟同步精度；在两个编码端分别使用HCN分子吸收池校准光频，使得干涉光的频率差小于10 MHz，从而实现了远距离独立激光器之间的锁频。

得益于上述一系列技术突破，实验团队利用清华大学王向斌教授的四强度优化协议，最终在上海城市大气信道中实现了第一个自由空间MDI-QKD实验。两个信道长度分别为7.7 km和11.5 km，通信双方Alice和Bob间距离为19.2 km，该距离也远远超过了地球大气的等效厚度，这意味着本工作也向着基于卫星的MDI-QKD迈出坚实一步。此外，在MDI-QKD以外的许多量子信息任务中，实现独立单光子在自由空间信道中长距离传播后的量子干涉是不可避免的。本工作发展的相关技术为在自由空间进行量子干涉的相关量子实验开辟了道路，如量子中继器、量子网络，以及在大空间尺度中探索量子力学与广义相对论融合等基本问题。