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中國科學技術大學成功融合遠距離量子密鑰分發和光纖振動傳感
2022-05-05 17:02:00
中國科學技術大學
近日，中國科學技術大學潘建偉、張強等與濟南量子技術研究院王向斌、劉洋等合作，實現了一套融合量子密鑰分發和光纖振動傳感的實驗係統，在完成光纖雙場量子密鑰分發（TF-QKD）的同時，實現了658公裏遠距離光纖傳感，定位精度達到1公裏，大幅突破了傳統光纖振動傳感技術距離難以超過100公裏的限製。相關研究成果以“編輯推薦”的形式發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，並被美國物理學會（APS）下屬網站“Physics”報道。
光纖振動傳感以光纖作為傳感器進行振動感知，通過利用單根光纖同時實現振動監測和信號傳輸，由於具有靈敏度高、響應快、結構簡單、分布均勻等優點，在結構健康監測、油氣管道泄漏監測、周界防護和地震監測等工程領域具有廣泛的應用前景，因此引起了人們的廣泛關注和研究。當前，光纖振動傳感多使用分布式聲波傳感技術，其傳感距離被限製在100公裏以內，麵臨的一個重要技術挑戰是如何克服距離限製，實現遠距離的光纖振動傳感。
量子密鑰分發（QKD）則基於量子力學基本原理，結合“一次一密”的加密方式，可以實現無條件安全的保密通信。因為其重要的現實意義，QKD一直是過去幾十年來國際學術界的研究熱點。2018年提出的TF-QKD協議，可以突破QKD成碼率的線性界限，被認為是實現超遠距離光纖QKD的最優方案。然而，TF-QKD技術要求相當苛刻，需要兩個遠程獨立激光器的單光子幹涉，光源頻率微小的偏差以及光纖鏈路任何波動都會積累相位噪聲而降低單光子幹涉的質量。
在實際應用中，沿光纖鏈路的聲音、振動等噪聲不可避免，因此，TF-QKD實驗過程中需要實時探測環境噪聲引起的光纖相位變化，並對其進行實時或數據後處理補償。一般來說，這些相位變化的信息在QKD實驗結束後會被丟棄。但事實上，這些“冗餘”信息反映了光纖中透射光的實時相位變化，可能來源於沿光纖鏈路的振動擾動或者溫度漂移。通過分析這些相位變化信息，再結合振動的一些特性，即可獲得振動信息並進行定位，從而實現超遠距離光纖振動傳感。
潘建偉、張強研究組基於濟南量子技術研究院王向斌提出的“發”或“不發送”TF-QKD（SNS-TF-QKD）協議，利用時頻傳輸等關鍵技術精確控製兩台獨立激光器的頻率，與中國科大陳暘和趙東鋒合作，利用附加相位參考光來估算光纖的相對相位快速漂移，恢複了加載在光纖信道上的人工可控振源產生的外部擾動，結合中科院上海微係統所尤立星團隊研製的高計數率低噪聲單光子探測器，最終實現了658公裏的光纖雙場量子密鑰分發和光纖振動傳感，對鏈路上人工振源的擾動位置進行了定位，精度優於1公裏。
上述研究成果表明，TF-QKD網絡架構不僅能夠實現超長距離分發安全密鑰，同時也能應用於超長距離振動傳感，實現廣域量子通信網和光纖傳感網的融合。
本研究論文的第一作者是中國科學技術大學博士生陳玖朋和張馳。
該工作得到了科技部、自然科學基金委、中科院、山東省和安徽省等的資助。
（來源：中國科學技術大學）
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