中國(guó)科大完成光纖雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā) 首次實(shí)現(xiàn)658公里遠(yuǎn)距離光纖傳感

  ICC訊    來自中國(guó)科大的消息顯示，近日，中國(guó)科大潘建偉、張強(qiáng)等與濟(jì)南量子技術(shù)研究院王向斌、劉洋等合作，實(shí)現(xiàn)了一套融合量子密鑰分發(fā)和光纖振動(dòng)傳感的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在完成光纖雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)(TF-QKD)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了658公里遠(yuǎn)距離光纖傳感，定位精度達(dá)到1公里，大幅突破了傳統(tǒng)光纖振動(dòng)傳感技術(shù)距離難以超過100公里的限制。

  圖源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

  據(jù)悉，光纖振動(dòng)傳感以光纖作為傳感器進(jìn)行振動(dòng)感知，通過利用單根光纖同時(shí)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)和信號(hào)傳輸，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、油氣管道泄漏監(jiān)測(cè)、周界防護(hù)和地震監(jiān)測(cè)等工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，因此引起了人們的廣泛關(guān)注和研究。當(dāng)前，光纖振動(dòng)傳感多使用分布式聲波傳感技術(shù)，其傳感距離被限制在100公里以內(nèi)，面臨的一個(gè)重要技術(shù)挑戰(zhàn)是如何克服距離限制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的光纖振動(dòng)傳感。

  量子密鑰分發(fā)(QKD)則基于量子力學(xué)基本原理，結(jié)合“一次一密”的加密方式，可實(shí)現(xiàn)無條件安全的保密通信。因?yàn)槠渲匾默F(xiàn)實(shí)意義，QKD一直是過去幾十年來國(guó)際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。2018年提出的TF-QKD協(xié)議，可以突破QKD成碼率的線性界限，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離光纖QKD的最優(yōu)方案。然而，TF-QKD技術(shù)要求相當(dāng)苛刻，需要兩個(gè)遠(yuǎn)程獨(dú)立激光器的單光子干涉，光源頻率微小的偏差以及光纖鏈路任何波動(dòng)都會(huì)積累相位噪聲而降低單光子干涉的質(zhì)量。

  在實(shí)際應(yīng)用中，沿光纖鏈路的聲音、振動(dòng)等噪聲不可避免，因此，TF-QKD實(shí)驗(yàn)過程中需要實(shí)時(shí)探測(cè)環(huán)境噪聲引起的光纖相位變化，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)或數(shù)據(jù)后處理補(bǔ)償。一般來說，這些相位變化的信息在QKD實(shí)驗(yàn)結(jié)束后會(huì)被丟棄。但事實(shí)上，這些“冗余”信息反映了光纖中透射光的實(shí)時(shí)相位變化，可能來源于沿光纖鏈路的振動(dòng)擾動(dòng)或者溫度漂移。通過分析這些相位變化信息，再結(jié)合振動(dòng)的一些特性，即可獲得振動(dòng)信息并進(jìn)行定位，從而實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離光纖振動(dòng)傳感。

  “在構(gòu)建TF-QKD系統(tǒng)的同時(shí)，我們付出了巨大的努力來補(bǔ)償通道中的相位波動(dòng)，”張強(qiáng)表示。

  潘建偉、張強(qiáng)研究組基于濟(jì)南量子技術(shù)研究院王向斌提出的“發(fā)”或“不發(fā)送”TF-QKD(SNS-TF-QKD)協(xié)議，利用時(shí)頻傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)精確控制兩臺(tái)獨(dú)立激光器的頻率;隨后，研究組與中國(guó)科大陳旸和趙東鋒合作，利用附加相位參考光來估算光纖的相對(duì)相位快速漂移，恢復(fù)了加載在光纖信道上的人工可控振源產(chǎn)生的外部擾動(dòng);最后結(jié)合中科院上海微系統(tǒng)所尤立星團(tuán)隊(duì)研制的高計(jì)數(shù)率低噪聲單光子探測(cè)器，最終實(shí)現(xiàn)了658公里的光纖雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)和光纖振動(dòng)傳感，對(duì)鏈路上人工振源的擾動(dòng)位置進(jìn)行了定位，精度優(yōu)于1公里。

  研究成果表明，TF-QKD網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)超長(zhǎng)距離分發(fā)安全密鑰，同時(shí)也能應(yīng)用于超長(zhǎng)距離振動(dòng)傳感，實(shí)現(xiàn)廣域量子通信網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)的融合。

  相關(guān)研究成果以“編輯推薦”的形式在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上發(fā)表，并被美國(guó)物理學(xué)會(huì)(APS)下屬網(wǎng)站“Physics”報(bào)道。本研究論文的第一作者是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生陳玖朋和張馳。

  “在如此長(zhǎng)的距離上檢測(cè)振動(dòng)令人印象深刻，”多倫多大學(xué)量子信息專家Hoi-Kwong Lo表示。他指出，目前已經(jīng)開發(fā)了類似的技術(shù)來感知沿光纖的振動(dòng)，例如最近一項(xiàng)使用水下通信光纖檢測(cè)地震的實(shí)驗(yàn) 。該論文的作者之一，來自英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的Giuseppe Marra表示，新的QKD演示遵循與他和其他先前工作相同的概念?！盎谶@種技術(shù)的未來QKD鏈路可以從已安裝的光纖中提供有用的額外地震信息，”他說。

  論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.180502