彭承志我国科学家首次实现自由空间信道测量设备无关量子密钥分发实验

近日，中国科学技术大学教授潘建伟、、张强与清华大学教授王、中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员尤合作，在世界范围内首次实现了基于长距离free//k0/]信道的测量设备无关的量子密钥分发实验。相关研究成果以编辑推荐的形式在线发表在《物理评论快报》上。美国物理学会的物理网站名为“确保与量子物理的无线链接”，专门报道了这项研究。该研究不仅将MDI-QKD从光纤信道扩展到自由空信道，还为在自由空信道中实现基于长距离量子干涉的更复杂的量子信息处理任务开辟了可能性。

MDI-QKD协议使用双光子干涉技术消除检测端的安全漏洞，不需要承担测量端量子器件的安全性。它被认为是各种量子密钥分发协议中最好的候选协议之一。自2012年首次提出以来，MDI-QKD协议在光纤通道中发展迅速，在距离更远、密钥速率更高和网络验证等方面取得了进展。然而，由于光纤的固有损耗，量子信号不能像经典通信一样被放大。根据数据，即使有一个发射率几百亿每秒的单光子源和一个完美的探测器，通过1200公里的光纤建立一个一位密钥也需要几百万年。

免费空频道是另一个重要频道。外太空空几乎是真的空，所以光信号损耗小，可以借助卫星扩大量子通信距离。近年来，随着墨子量子科学实验卫星的成功，基于卫星平台和地面光纤网络相结合的量子通信成为构建全球量子通信网络的可行手段。虽然MDI-QKD已经在光纤中实现，但由于大气湍流的存在，在不稳定信道中实现量子干涉具有挑战性，这使得MDI-QKD无法在自由空信道中实现。

由于自由空信道中的大气湍流破坏了空之间的模式，在干涉测量前需要用单模光纤在空之间进行滤波，导致耦合效率低，强度波动大。为了解决耦合效率低的问题，研究人员开发了一种基于随机梯度下降算法的自适应光学系统，可以抵抗强湍流，将双链路的总信道效率提高约4-10倍。光强的快速波动使得光纤MDI-QKD系统中的时钟传输和光频比较方法难以直接应用于自由空通道。为此，研究人员在三个实验点使用超稳定晶体振荡器作为独立时钟源；通过测量脉冲到达时间的实时反馈，获得了32 ps的独立时钟同步精度，利用HCN分子吸收池标定了两个编码端的光频，使得干涉光的频差小于10 MHz，从而实现了远程独立激光器之间的锁频。

基于以上研究成果，研究人员利用王提出的四强度优化协议，在上海空气通道实现了首个自由空MDI-实验。两条通道的长度分别为7.7公里和11.5公里，爱丽丝和鲍勃之间的距离为19.2公里，超过了地球大气层的等效厚度，这表明该研究是向基于卫星的MDI-QKD迈出的坚实一步。另外，在MDI-QKD以外的量子信息任务中，自由空信道中长距离传播后，不可避免地会实现独立单光子的量子干涉。本研究开发的相关技术为自由空中与量子干涉相关的量子实验开辟了一条道路，有利于探索大空尺度下量子力学与广义相对论融合等基础问题。

研究工作得到科技部、国家自然科学基金、中国科学院、上海和安徽省重点研究发展计划的支持。