我國科學(xué)家實現(xiàn)658公里量子密鑰分發(fā)和光纖振動傳感

融合量子密鑰分發(fā)和光纖振動傳感的實驗裝置示意圖 中國科大供圖

光纖振動傳感通過利用光纖中光信號時間、相位、振幅等信息監(jiān)測鏈路中的振動信息，具有靈敏度高、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、分布均勻等優(yōu)點，在建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、油氣管道泄漏監(jiān)測、地震監(jiān)測等工程領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。目前，主流光纖振動傳感方案采用的是分布式聲波傳感技術(shù)，可以精確測量光纖每個位置產(chǎn)生的振動信息，但傳感距離很難超過100公里。

量子密鑰分發(fā)基于量子力學(xué)基本原理，結(jié)合“一次一密”加密方式可以實現(xiàn)無條件安全的保密通信。雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議不僅可以實現(xiàn)非常高的現(xiàn)實安全性，更提供了超越一般量子密鑰分發(fā)協(xié)議工作距離的可能性，被認為是實現(xiàn)超遠距離光纖量子密鑰分發(fā)的最優(yōu)方案。

然而，雙場量子密鑰分發(fā)技術(shù)要求苛刻，需要兩個遠程獨立激光器的單光子干涉，光源頻率微小的偏差、光纖鏈路的任何波動，都會積累相位噪聲而降低單光子干涉的質(zhì)量。因此，在雙場量子密鑰分發(fā)實驗中，需要檢測光纖振動等引起的相位快速變化，并進行補償。

一般來說，這些相位變化的信息在實驗結(jié)束后會被“丟棄”。但事實上，這些“冗余”信息來源于光纖振動引起的相位變化。通過分析這些信息，可以獲得光纖鏈路震動信號。根據(jù)通信雙方測量結(jié)果的時間相關(guān)性，可對震動信號進行定位，實現(xiàn)超遠距離光纖振動傳感。

潘建偉、張強等基于王向斌提出的“發(fā)或不發(fā)”雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議，利用時頻傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)精確控制兩臺獨立激光器的頻率。他們與中國科大陳旸、趙東鋒合作，利用附加相位參考光估算光纖的相對相位快速漂移，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。結(jié)合中科院上海微系統(tǒng)所尤立星團隊研制的高計數(shù)率、低噪聲單光子探測器，最終實現(xiàn)658公里的極遠距離光纖雙場量子密鑰分發(fā)，并在該系統(tǒng)中成功進行了光纖傳感測試。

國際著名量子密碼專家、多倫多大學(xué)教授Hoi-Kwong Lo評價該工作：“在如此長的距離探測振動令人印象深刻。”量子精密測量專家、英國國家物理實驗室Giuseppe Marra認為：“未來基于這項新技術(shù)的量子密碼網(wǎng)絡(luò)可以提供許多地震的相關(guān)信息。”

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.180502