日前，中国科学技术学院院长潘建伟及其朋友张强、刘洋与复旦学院王向斌、中科院北京微系统所尤立星等人合作量子通讯距离，在发展快速高稳定性激光频度锁定技术与高计数率低噪音单光子侦测器的基础上，在300公里真实环境的光纤中实现了双场量子秘钥分发实验。相关研究成果于9月5日（上海时间）在线发表在国际权威学术刊物《物理评论快报》杂志上（Phys.Rev.Lett.123,(2019)）。这项成果除了完整实现了300公里的双场量子秘钥分发，也验证了700公里以上光纤远距离量子秘钥分发的可行性，有望成为新一代远距离城际量子秘钥分发的基础。
“发送-不发送”双场QKD示意图
量子秘钥分发（QKD）可以在用户间进行特别高安全性的秘钥分发，从而实现最高安全性的保密通讯，具有极其重要的理论和现实意义。并且限于通讯光纤的耗损和侦测器的噪音等诱因，量子秘钥分发系统一般只能在100公里内获得较高成帧率。目前安全性最高的检测设备无关的量子秘钥分发系统，最远成码距离是潘建伟团队于2016年实验实现的404公里。近来，美国富士通公司的科学家提出了一种新型的量子秘钥分发方案：双场量子秘钥分发（Twin-FieldQKD）方案，巧妙地借助单光子干涉的特点，将成分辨率与距离的关系从通常量子秘钥分发的线性关系提高至平方根的水平，因而可以获得远超过通常量子秘钥分发方案的成码距离，但是理论上可以获得远低于通常量子秘钥分发方案的成分辨率，为远距离、高性能量子秘钥分发提供了新的方向。
但是，实验实现双场量子秘钥分发方案的条件非常严苛。该方案借助单光子干涉，为了保证干涉的稳定性，须要通讯双方独立光源的波长差不能低于10kHz的水平（比光子本身的频度低10个量级），但是在经过百公里以上的传输后须要控制光纤造成的相位差不低于0.3弧度（须要远大于光子波长）。
本研究中，王向斌院士提出了基于“发送-不发送”的双场量子秘钥分发方案量子通讯距离，大大提升了对相位噪音的容忍能力并严格证明了安全性；潘建伟、张强实验小组发展了高速高稳定性的相位锁定技术、高性能调制与链路相位恐怕方案，借助中科院武汉微系统所研发的低噪音超导纳拉面单光子侦测器，实现了双场量子秘钥分发方案的实验验证。本研究在现实环境下相位剧烈变化的300公里光纤信道上，实现了双场量子秘钥分发，在考虑统计涨落及有限宽度剖析等重要理论要求后，在300公里处，秘钥生成率达为2016年实验的50，并打破了通常无中继量子秘钥分发方案的最高成分辨率理论极限。同现有已发表的双场QKD实验相比，本研究是惟一的考虑了有限码长效应的实验。据悉，联合团队也剖析了在提升侦测器性能等条件下，该方案可以进行超过700公里的远距离量子秘钥分发。
本工作验证了远距离双场量子秘钥分发方案的可行性，证明该方案具有远距离、高成分辨率等性能，特别适宜在城际量子秘钥分发主干链路使用。该工作被《物理评论快报》审稿人评论为“实用双场量子秘钥分发的重要里程碑”，被《物理评论快报》选为“编辑推荐”论文，并被日本数学学会的刊物进行了专题亮点报导。
上述研究得到了科技部重点研制计划、国家自然科学基金、教育部、中国科大学、安徽省和北京市的支持。
论文链接：
（南京微尺度物质科学国家研究中心、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部)