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06-18
从世界第一颗量子卫星“墨子”的发射，到世界第一条量子保密通信干线“京沪干线”的开通，随着量子密钥分发距离的不断增加，我国量子通信技术始终走在世界前列。
近日，中国科学技术大学潘建伟团队与清华大学王向斌团队再次联手，突破远距离独立激光相位干涉技术，实现双场量子密钥分发（TF-QKD） ）的公里级真实环境光纤。
，从而再次刷新量子密钥分发传输距离的世界纪录。
当地时间2月20日，上述团队被命名为“Sending-or-Not-Sending with Independent Lasers: Secure Twin-Field Quantum Key Distribution over km”。
）的研究成果发表在世界著名物理学顶级学术期刊《物理学评论快报》（Physical Review Letters）上，并入选“编辑推荐”文章。
“发送-不发送”双场量子密钥分发方案 在密码学中，密钥是指用于完成加密、解密、完整性验证等密码应用的秘密信息。
事实上，自从人类使用语言以来，用密钥加密信息的技术就一直在发展。
2016年，物理学家贝内特和密码学家布拉萨德基于量子力学的测量原理提出了世界上第一个量子密钥分发协议（BB84协议），旨在增加安全通信距离，提高安全性。
基于该协议提出的量子密钥分发（QKD）可以为两地用户提供无条件的安全共享密钥，从根本上保证了密钥的安全。
然而，由于通信光纤损耗和探测器噪声等限制，量子密钥分发系统通常只能实现公里以内的高码率——无需量子中继（中继是指两个交换中心之间的传输）。
在一条传输路径的情况下，安全码率受到线性限制。
【抗黑客攻击量子密钥分发示意图】基于此，一种新型的量子密钥分发方案——“发送-不发送”双场量子密钥分发方案”应运而生。
该方案由清华大学物理系王向斌教授、清华大学密码理论中心副主任、济南量子技术研究所所长、论文作者之一提出。
据悉，该方案巧妙地利用单光子干涉的特性，大幅提高了相位噪声的容忍度和安全性，使得量子密钥分发的码率即使在长距离下也能保持在较高水平。
简单来说，双场量子密钥就像一对双胞胎一起工作，即使没有中继也能轻松突破码率的线性极限。
2016年，中国“量子之父”、中国科学院院士弗拉基米尔·潘建伟及其团队在真实环境下完成了千米光纤中的双场量子密钥分配实验。
不过雷锋网了解到，双场量子密钥分发的技术要求相当苛刻：需要两个远程独立激光器进行单光子级干涉；需要通过单光子探测结果实现长距离光纤链路快速相对相位漂移的准确估计；需要同时满足高计数率、高效率和超低暗计数的单光子探测器。
量子密钥分发传输距离新世界纪录。
此次，研究团队应用了上述解决方案，并实验演示了在一公里长的超低损耗光纤上的安全密钥分发，突破了无中继量子密钥的限制。
绝对密钥速率限制成功刷新了地面量子密钥分发最远距离的世界纪录。
具体来说，潘建伟团队基于王向斌提出的“发送-不发送”双场量子密钥分配方案，开发了时频传输技术和激光注入锁定技术，将两个独立的远程激光器的波长锁定为相同，利用附加的A相位参考光来估计光纤的相对相位快速漂移。
同时，该团队结合中科院上海微系统所研发的高计数率、低噪声单光子探测器，最终将量子密钥分发的安全编码距离推向千米级别。
下图是实验装置示意图。
Alice 和 Bob 是远程锁频稳定连续波激光器，由相位调制器 (PM) 和三个强度调制器（IM1、IM2、IM3）进行调制，用于相位随机化、编码和诱骗。
强度调制。
另外，图中ATT为衰减器，PC为偏振控制器，PBS为偏振分束器，DWDM为密集波分复用器，CIR为循环器，BS为分束器，FM为法拉第镜， PD为光电二极管。
论文称，公里级光纤编码速率比传统非中继量子密钥分发的相对极限提高了7倍以上，即超过了理想检测装置（探测器）下的非中继量子密钥分发。
效率为 %) 代码限制。
此外，如果将系统重复频率升级到京沪干线等长距离量子通信网络中使用的1GHz，公里级码率可以达到5kbps，从而大大减少骨干光纤中的可信中继数量量子通信网络，大大提高光纤量子保密通信网络的安全性。
事实上，当地时间3月2日，国际学术期刊《自然·光子学》发表了潘建伟院士等人的另一项研究成果，题为《Implementation ofQuantum Key Distribution Beyond the Linear Rate-Transmittance Bound》（实现超越线性速率-透射率界限的量子密钥分布）边界）。
雷锋网注意到，这项研究基于清华大学马雄峰教授提出的相位匹配量子密钥分发（PM-QKD）协议，进一步推动了远距离量子通信的发展，为新兴的量子通信奠定了基础。
量子互联网。
2020年9月10日，在中国科学院与德国国家科学院（Leopoldina）联合举办的首届双边研讨会上，潘建伟院士表示：人类实现远距离征程的道路上存在两大挑战安全量子通信，即真实条件下的安全问题和长距离传输问题。
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