中国科学技术大学潘建伟、张强等与清华大学王向斌、济南量子技术研究院刘洋、中国科学院上海微系统所尤立星、张伟君等合作，通过发展低串扰相位参考信号控制、极低噪声单光子探测器等技术，实现了光纤中1002公里点对点远距离量子密钥分发，不仅创下了光纤无中继量子密钥分发距离的世界纪录，也提供了城际量子通信高速率主干链路的方案。相关研究成果于5月25日发表在国际学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志。
量子密钥分发（QKD）基于量子力学基本原理，可以在用户间进行安全的密钥分发，结合“一次一密”的加密方式，进而可实现最高安全性的保密通信。然而，量子密钥分发的距离一直受到通信光纤的固有损耗和探测器噪声等因素的限制。双场量子密钥分发（TF-QKD）协议利用单光子干涉的特性，将成码率与距离的关系从一般量子密钥分发的线性关系提升至平方根的水平，因此可以获得远超过一般量子密钥分发方案的成码距离。
在这项工作中，研究团队采用了王向斌等提出的“发送-不发送”双场量子密钥分发协议，该协议在现实条件下可以有效地提升量子密钥分发系统工作距离。为了进行极远距离的量子密钥分发，研究团队与长飞光纤光缆股份有限公司合作，采用基于“纯二氧化硅纤芯”技术的超低损光纤，实现低于0.16 dB/km的量子信道光纤链路。中科院上海微系统所发展了极低噪声超导单光子探测器，通过在40 K和2.2K温区进行多级滤波抑制热辐射引起的暗计数，将单光子探测器的噪声降低至0.02 cps。研究团队还发展了时分复用的双波长相位估计方案，避免了同波长参考光二次瑞利散射、不同波长参考光自发拉曼散射等噪声影响，将链路噪声降低至0.01 Hz以下。
图1：远距离量子密钥分发实验系统原理图
在上述技术发展的基础上，该工作实现了最远达1002 km的双场量子密钥分发，获得0.0034 bps成码率。对系统参数进行优化后，在202 km光纤距离下获得47.06 kbps成码率，并且在300km和400 km光纤距离下，获得的成码率相较原始“测量器件无关”量子密钥分发提高了6个数量级。该工作不仅验证了极远距离下双场量子密钥分发方案的可行性，也验证了在城际光纤距离下，采用该协议可以实现高成码率的量子密钥分发，适合城际量子通信主干链路使用。该工作得到了审稿人的高度评价，认为这项工作是“该领域极其重要的进展，量子密钥分发技术新的里程碑 (a significant advance for the field and a new landmark for QKD technology) ”。
图2：远距离量子密钥分发实验成码率结果图
本研究工作得到了科技部、自然科学基金委、中科院、山东省、安徽省和上海市等的资助。
论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.210801