潘建伟团队新突破：创纪录500公里量级现场无中继光纤量子密钥分发

6月23日，中国科学技术大学网站消息称，中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟及其同事张强、陈腾云与济南量子技术研究院王向斌、刘洋等合作，突破现场远距离高性能单光子干涉技术，凭借时频传输技术和激光注入锁定技术，实现了创纪录500公里量级现场无中继光纤量子密钥分发。相关研究成果分别发表于国际著名学术期刊《物理评论快报》和《自然·光子学》上。

为实现长距离光纤量子网络铺路

上述研究成果成功创造了现场光纤无中继QKD最远距离新的世界纪录，在超过500公里的光纤成码率打破了传统无中继QKD所限定的成码率极限，即超过了理想探测装置下的无中继QKD成码极限，在实际环境中证明了双场量子密钥分发（TF-QKD）的可行性，并为实现长距离光纤量子网络铺平了道路。

具体而言，最新发表的这项研究利用中科院上海微系统所尤立星小组研制的超导探测器，基于“济青干线”现场光缆，分别采用激光注入锁定实现了428公里TF-QKD，同时利用时频传递技术实现了511公里TF-QKD。

量子不可克隆原理保证了密钥分发的无条件安全性，而未知量子态的不可克隆性，也使得QKD不能像经典光通信那样通过光放大对传输进行中继，因此实际应用中QKD的传输距离受到光纤损耗的限制。

2016年，潘建伟团队就曾在《物理评论快报》发表研究成果，在国际上首次实现超过400公里抵御量子黑客攻击的测量设备无关量子密钥分发，当时创造了量子保密通信新的世界纪录，并被国际审稿人高度评价为“量子密钥分发和量子通信最远传输记录”以及“打破BB84协议下单光子源的传输终极极限”的中国成果。

此前，潘建伟团队已经在实验室内实现超过500公里TF-QKD的验证，然而，在实际场景的苛刻环境下实现TF-QKD是极其困难的。这是由于在实验室内温度、振动以及人活动引起的声音等噪声都可以被有效隔离，但现场环境中这些是不可避免的。这些外界的干扰会导致现场光缆一天相应的长度和偏振变化速率比实验室光纤快两到三个数量级；损耗也要比实验室光纤高约10%；串扰引起的噪声比单光子探测器的本底噪声高两个数量级以上。

据中国科大介绍，潘建伟团队基于王向斌提出的“发送-不发送”双场量子密钥分发协议，发展时频传输技术和激光注入锁定技术，将现场相隔几百公里的两个独立激光器的波长锁定为相同；再针对现场复杂的链路环境，开发了光纤长度及偏振变化实时补偿系统；并设计了QKD光源的波长，并通过窄带滤波将串扰噪声滤除；最后结合中科院上海微系统所研制的高计数率低噪声单光子探测器，在现场将无中继光纤QKD的安全成码距离推至500公里以上。

“过去400公里量级的密钥分发已经是极限了，这次团队利用了新的技术才实现了500公里量级的双场量子密钥分发，意义重大。”一位曾在中国科大量子通信实验室担任研究员的专家对第一财经记者表示。

构建天地一体量子通信网络

近一年多来，潘建伟团队成果不断。今年5月，我国首个可操纵的超导量子计算机体系“祖冲之号”问世，该成果将为促进中国在超导量子系统上实现量子优越性奠定技术基础，也为后续具有重大实用价值的通用量子计算的研发提供支持。

今年1月，潘建伟团队在《自然》杂志上发表了题为“跨越4600公里的天地一体化量子通信网络”的论文，验证了广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已初步成熟。

潘建伟表示：“我们的工作表明，量子通信技术对于大规模的实际应用已经足够成熟。类似地，如果把来自不同国家的国家量子网络合并在一起，并且如果大学，机构和公司聚集在一起以标准化相关协议、硬件等，则可以建立全球量子通信网络。”

去年12月，潘建伟团队成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解，使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。

从九章量子计算机原型的发布到证明广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已成熟，中国在量子科技领域取得了跨越式的发展，未来中国将构建天地一体的有量子通信安全保障的未来互联网。

中国科大教授陈宇翱此前曾对第一财经记者表示，未来中国量子通信技术的发展方向主要有三个，一个是通过与经典密码学的结合，从而实现量子通信安全性的定量化；另一个是量子通信系统的芯片化、小型化和低成本化；第三个是完善建网的方式以及协议的更新。

量子技术应用公司夸密（Quakey）创始人CEO张文卓对第一财经记者表示：“量子信息技术将掀起第四次科技革命，也是第二次信息革命，但整个学科绝大部分还处于科研阶段，仅有量子加密技术成熟到可以广泛应用。目前行业仍然缺少能够用前沿量子加密技术去解决信息安全问题的专业企业。”