近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事彭承志、張強(qiáng)等與清華大學(xué)王向斌，中科院上海微系統(tǒng)所尤立星等人合作，首次在國際上實(shí)現(xiàn)了基于遠(yuǎn)距離自由空間信道的測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)（MDI-QKD）實(shí)驗(yàn)。相關(guān)成果于2020年12月23日以編輯推薦（Editors' Suggestion）的形式在線發(fā)表在《物理評論快報(bào)》上（Phys. Rev. Lett. 125, 260503 (2020)）。美國物理學(xué)會Physics網(wǎng)站以“量子物理保證無線通信安全 ”（Securing a Wireless Link with Quantum Physics）為題專門對該工作做了報(bào)道。這項(xiàng)成果不僅實(shí)現(xiàn)了將MDI-QKD從光纖信道拓展到自由空間信道的突破，也開啟了在自由空間信道中實(shí)現(xiàn)基于遠(yuǎn)距離量子干涉的更復(fù)雜的量子信息處理任務(wù)的可能。

MDI-QKD協(xié)議利用雙光子干涉技術(shù)消除了探測端的所有安全漏洞，無需對測量端的量子設(shè)備進(jìn)行任何安全性假設(shè)，被認(rèn)為是各種量子密鑰分發(fā)協(xié)議中的最佳候選協(xié)議之一。自2012年首次提出以來，MDI-QKD協(xié)議已在光纖信道上得到快速發(fā)展，在距離更遠(yuǎn)、密鑰速率更高和網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證等方向取得了一系列突破。然而由于光纖存在固有損耗，量子信號又不能像經(jīng)典通信那樣被放大。根據(jù)數(shù)據(jù)測算，通過1200公里的光纖，即使有每秒百億發(fā)射率的單光子源和完美的探測器，也需要數(shù)百萬年才能建立一個比特的密鑰。

對于另一種重要的信道，也就是自由空間信道，由于外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小，所以通過衛(wèi)星的輔助可以極大擴(kuò)展量子通信距離。近年來，隨著“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的成功，基于衛(wèi)星平臺和地面光纖網(wǎng)相結(jié)合的量子通信已成為構(gòu)建覆蓋全球量子通信網(wǎng)絡(luò)最為可行的手段。盡管MDI-QKD在光纖中得到了成功的實(shí)現(xiàn)，但由于大氣湍流的存在，如何在如此不穩(wěn)定的信道中實(shí)現(xiàn)量子干涉成為了巨大的挑戰(zhàn)，這也使MDI-QKD一直未能在自由空間信道中實(shí)現(xiàn)。

由于自由空間信道的大氣湍流破壞了空間模式，在進(jìn)行干涉測量前需要用單模光纖進(jìn)行空間濾波，由此帶來的耦合效率低下和強(qiáng)度漲落是本實(shí)驗(yàn)的兩大難點(diǎn)。為了解決耦合效率低下的問題，研究團(tuán)隊(duì)首先開發(fā)了一種基于隨機(jī)梯度下降算法的具有抵抗強(qiáng)湍流能力的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，使雙鏈路總信道效率提升約4~10倍。光強(qiáng)的快速漲落使得光纖MDI-QKD系統(tǒng)中的時鐘傳遞、光頻比對方法難以直接應(yīng)用于自由空間信道中。為此，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在三個實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分別使用了超穩(wěn)晶振作為獨(dú)立時鐘源（Allen方差8×10^-14），并通過測量脈沖到達(dá)時間實(shí)時反饋，得到32 ps的獨(dú)立時鐘同步精度；在兩個編碼端分別使用HCN分子吸收池校準(zhǔn)光頻，使得干涉光的頻率差小于10 MHz，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離獨(dú)立激光器之間的鎖頻。

得益于上述一系列技術(shù)突破，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)利用清華大學(xué)王向斌教授的四強(qiáng)度優(yōu)化協(xié)議，最終在上海城市大氣信道中實(shí)現(xiàn)了第一個自由空間MDI-QKD實(shí)驗(yàn)。兩個信道長度分別為7.7 km和11.5 km，通信雙方Alice和Bob間距離為19.2 km，該距離也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了地球大氣的等效厚度，這意味著本工作也向著基于衛(wèi)星的MDI-QKD邁出堅(jiān)實(shí)一步。此外，在MDI-QKD以外的許多量子信息任務(wù)中，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立單光子在自由空間信道中長距離傳播后的量子干涉是不可避免的。本工作發(fā)展的相關(guān)技術(shù)為在自由空間進(jìn)行量子干涉的相關(guān)量子實(shí)驗(yàn)開辟了道路，如量子中繼器、量子網(wǎng)絡(luò)，以及在大空間尺度中探索量子力學(xué)與廣義相對論融合等基本問題。

圖1 遠(yuǎn)距離自由空間MDI-QKD實(shí)驗(yàn)裝置圖

該工作的共同第一作者為曹原副研究員、博士后李宇懷和博士研究生楊奎星。上述研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院、上海市和安徽省的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.260503

(合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部)