中国科大量子通信领域重要进展：首次在自由空间信道实现测量设备无关量子密钥分发实验

来自中国科大的消息显示，近日，中国科大潘建伟及其同事彭承志、张强等与清华大学王向斌，中科院上海微系统所尤立星等人合作，首次在国际上实现了基于远距离自由空间信道的测量设备无关量子密钥分发（MDI-QKD）实验。这项实验成果不仅实现了将 MDI-QKD 从光纤信道拓展到自由空间信道的突破，也开启了在自由空间信道中实现基于远距离量子干涉的更复杂的量子信息处理任务的可能。

据了解，MDI-QKD 协议利用双光子干涉技术消除了探测端的所有安全漏洞，无需对测量端的量子设备进行任何安全性假设，被认为是各种量子密钥分发协议中的最佳候选协议之一。该协议自 2012 年首次提出以来，已在光纤信道上得到快速发展，在距离更远、密钥速率更高和网络验证等方向取得了一系列突破。

然而，由于光纤存在固有损耗，量子信号不能像经典通信那样被放大；自由空间信道方面，外太空几乎真空的环境下光信号损耗非常小，通过卫星辅助可极大扩展量子通信距离。

近年来，随着 “墨子号”量子科学实验卫星的成功，基于卫星平台和地面光纤网相结合的量子通信已成为构建覆盖全球量子通信网络最为可行的手段。

由于自由空间信道的大气湍流破坏了空间模式，在进行干涉测量前需要用单模光纤进行空间滤波，由此带来的耦合效率低下和强度涨落是本实验的两大难点。

为解决耦合效率低下的问题，研究团队开发了一种基于随机梯度下降算法的具有抵抗强湍流能力的自适应光学系统，使双链路总信道效率提升了约 4 倍到 10 倍。并通过测量脉冲到达时间实时反馈，得到 32 皮秒的独立时钟同步精度；用新技术方案使干涉光的频率差小于 10 兆赫，从而实现远距离独立激光器之间的锁频。

基于这些技术突破，实验团队利用清华大学王向斌教授的四强度优化协议，最终在上海城市大气信道中实现了第一个自由空间 MDI-QKD 实验。两个信道长度分别为 7.7 km 和 11.5 km，通信双方 Alice 和 Bob 间距离为 19.2 km，该距离也远远超过了地球大气的等效厚度，这意味着该实验成果也向着基于卫星的 MDI-QKD 迈出坚实一步。

除此之外，该实验发展的相关技术为在自由空间进行量子干涉的相关量子实验开辟了道路，如量子中继器、量子网络，以及在大空间尺度中探索量子力学与广义相对论融合等基本问题。

图 1 远距离自由空间 MDI-QKD 实验装置图

该工作的共同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。上述研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院、上海市和安徽省的支持。

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