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亚博2021最新版网址-我国首次在自由空间信道实现测量设备无关的量子密钥分发

作者:亚博2021最新版网址 发布时间:2021-09-14

近日,中国科学手艺年夜学潘建伟和其同事彭承志、张强等与清华年夜学王向斌,中科院上海微系统所尤立星等人合作,初次在国际上实现了基在远距离自由空间信道的丈量装备无关量子密钥分发(MDI-QKD)尝试。相干功效在2020年12月23日以编纂保举(Editors'Suggestion)的情势在线颁发在《物理评论快报》上(Phys.Rev.Lett.125,260503(2020))。美国物理学会Physics网站以“量子物理包管无线通讯平安”(SecuringaWirelessLinkwithQuantumPhysics)为题专门对该工作做了报导。这项功效不但实现了将MDI-QKD从光纤信道拓展到自由空间信道的冲破,也开启了在自由空间信道中实现基在远距离量子干与的更复杂的量子信息处置使命的可能。

MDI-QKD和谈操纵双光子干与手艺消弭了探测真个所有平安缝隙,无需对丈量真个量子装备进行任何平安性假定,被认为是各类量子密钥分发和谈中的最好候选和谈之一。自2012年初次提出以来,MDI-QKD和谈已在光纤信道上获得快速成长,在距离更远、密钥速度更高和收集验证等标的目的获得了一系列冲破。但是因为光纤存在固有消耗,量子旌旗灯号又不克不及像经典通讯那样被放年夜。按照数据测算,经由过程1200千米的光纤,即便有每秒百亿发射率的单光子源和完善的探测器,也需要数百万年才能成立一个比特的密钥。

对另外一种主要的信道,也就是自由空间信道,因为外太空几近真空因此光旌旗灯号消耗很是小,所以经由过程卫星的辅助可以极年夜扩大量子通讯距离。最近几年来,跟着“墨子号”量子科学尝试卫星的成功,基在卫星平台和地面光纤网相连系的量子通讯已成为构建笼盖全球量子通讯收集最为可行的手段。虽然MDI-QKD在光纤中获得了成功的实现,但因为年夜气湍流的存在,若何在如斯不不变的信道中实现量子干与成了庞大的挑战,这也使MDI-QKD一向未能在自由空间信道中实现。

因为自由空间信道的年夜气湍流粉碎了空间模式,在进行干与丈量前需要用单模光纤进行空间滤波,由此带来的耦合效力低下和强度涨落是本尝试的两浩劫点。为领会决耦合效力低下的问题,研究团队起首开辟了一种基在随机梯度降落算法的具有反抗强湍流能力的自顺应光学系统,使双链路总信道效力晋升约4~10倍。光强的快速涨落使得光纤MDI-QKD系统中的时钟传递、光频比对方式难以直策应用在自由空间信道中。为此,尝试团队在三个尝试点别离利用了超稳晶振作为自力时钟源(Allen方差8×10-14),并经由过程丈量脉冲达到时候及时反馈,获得32ps的自力时钟同步精度;在两个编码端别离利用HCN份子接收池校准光频,使得干与光的频率差小在10MHz,从而实现了远距离自力激光器之间的锁频。

得益在上述一系列手艺冲破,尝试团队操纵清华年夜学王向斌传授的四强度优化和谈,终究在上海城市年夜气信道中实现了第一个自由空间MDI-QKD尝试。两个信道长度别离为7.7km和11.5km,通讯两边Alice和Bob间距离为19.2km,该距离也远远跨越了地球年夜气的等效厚度,这意味着本工作也向着基在卫星的MDI-QKD迈出坚实一步。另外,在MDI-QKD之外的很多量子信息使命中,实现自力单光子在自由空间信道中长距离传布后的量子干与是不成避免的。本工作成长的相干手艺为在自由空间进行量子干与的相干量籽实验斥地了道路,如量子中继器、量子收集,和在年夜空间标准中摸索量子力学与广义相对论融会等根基问题。

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图1.远距离自由空间MDI-QKD尝试装配图

该工作的配合第一作者为曹原副研究员、博士后李宇怀和博士研究生杨奎星。上述研究获得了科技部重点研发打算、国度天然科学基金、中国科学院、上海市和安徽省的撑持。

论文链接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.260503