中国科大利用量子密钥分发首次实现658公里远距离光纤传感

光子盒研究院出品

近日，中国科学技术大学潘建伟、张强等与济南量子技术研究院王向斌、刘洋等合作，实现了一套融合量子密钥分发和光纤振动传感的实验系统，在完成光纤双场量子密钥分发（TF-QKD）的同时，实现了658公里远距离光纤传感，定位精度达到1公里，大幅突破了传统光纤振动传感技术距离难以超过100公里的限制[1]。

5月2日，相关研究成果以“编辑推荐”的形式发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）[2]上，并被美国物理学会（APS）下属网站“Physics”报道[3]。论文的第一作者是中国科学技术大学博士生陈玖朋和张驰。

研究成果表明，TF-QKD网络架构不仅能够实现超长距离分发安全密钥，同时也能应用于超长距离振动传感，实现广域量子通信网和光纤传感网的融合。TF-QKD的冗余信息可以用于信道振动的遥感，除了安全通信之外，还可以应用于地震探测和滑坡监测。

来源：墨子沙龙

光纤振动传感以光纤作为传感器进行振动感知，通过利用单根光纤同时实现振动监测和信号传输，由于具有灵敏度高、响应快、结构简单、分布均匀等优点，在结构健康监测、油气管道泄漏监测、周界防护和地震监测等工程领域具有广泛的应用前景，因此引起了人们的广泛关注和研究。当前，光纤振动传感多使用分布式声波传感技术，其传感距离被限制在100公里以内，面临的一个重要技术挑战是如何克服距离限制，实现远距离的光纤振动传感。

量子密钥分发（QKD）提供了理论上可证明的安全密钥分发方式。然而，由于量子信号不能被放大，信道损耗是长距离QKD的一个不可避免的障碍。对于一个传输算子η，安全密钥率的理论上限被限制在1.44η，这称为Pirandola-Laurenza-Ottaviani-Bianchi（PLOB）边界。这个边界对所有无中继器的QKD协议都是有效的，其中包括常见的基于诱骗态的BB84、及与测量设备无关的QKD（measurement-device-independent QKD，MDI-QKD），该协议可以忽略测量设备的所有安全漏洞。在没有实用的量子中继器的情况下，实现长距离QKD网络的中间方案是设置几个可信中继节点。虽然可信中继网络已经在现场成功演示，但可信中继数量的增加可能会增加安全风险和提高成本。

与传统的QKD协议不同，双场QKD（TF-QKD）在不使用量子存储器的情况下可以将安全密钥率提高到√η。这可能提供了一个解决方案，以达到更远的距离和减少可信中继的数量。此次联合团队实验证明了长距离分发安全密钥的可行性。值得注意的是，考虑到有限规模效应的全面安全分析，发送或不发送TF-QKD（sending or not sending TF-QKD，SNS-TF-QKD）的实验证明，在实验室和现场实现了超过500公里的长距离记录。在不考虑数据有限大小的情况下，甚至可以在600公里的距离上获得一个正的密钥率。

在实际应用中，沿光纤链路的声音、振动等噪声不可避免，因此，TF-QKD实验过程中需要实时探测环境噪声引起的光纤相位变化，并对其进行实时或数据后处理补偿。一般来说，这些相位变化的信息在QKD实验结束后会被丢弃。但事实上，这些“冗余”信息反映了光纤中透射光的实时相位变化，可能来源于沿光纤链路的振动扰动或者温度漂移。通过分析这些相位变化信息，再结合振动的一些特性，即可获得振动信息并进行定位，从而实现超远距离光纤振动传感。

张强表示：“在构建TF-QKD系统的同时，我们付出了巨大的努力来补偿通道中的相位波动。”

Alice和Bob使用两个独立的超稳定激光器（independent ultra-stable lasers），其中的相对频率差被消除了。光被调制成单光子级量子信号脉冲与强相位参考脉冲的时间复用模式。在每个1微秒的周期中，100个脉冲持续时间为240皮秒（1纳秒=1000皮秒）的信号脉冲在前400纳秒内被发送，相位参考脉冲在随后的600纳秒内被发送。来自Alice和Bob的信号通过329.3公里和329.4公里（共658.7公里）的超低损耗光纤线轴发送给Charlie，其传输率为52.9 dB和53.1 dB（共106 dB）。在Charlie的分光器（BS）发生扰动后，信号被两个超导纳米线单光子探测器（SNSPD）（中科院上海微系统所尤立星团队研制的高计数率低噪声单光子探测器）探测，并由一个时间标记器记录。具体实验装置如下图所示：

实验装置示意图。在Alice（Bob）的实验里，一个种子激光器被锁定在一个超低膨胀（ultra-low-expansion，ULE）玻璃腔上，通过使用Pound-DreverHall（PDH）技术实现亚Hz线宽。稳定型激光器被分成两部分：一部分用于校准本地和远程用户之间的波长差，另一部分用作QKD源。在波长校准部分，光通过Alice（Bob）的40 MHz（70 MHz）固定载波频率的声光调制器（AOM），以过滤通道中的噪声。然后，光被送到Bob（Alice），用光电二极管（PD）进行异频检测。在Bob处插入一个500 MHz±5 MHz可调载波频率的AOM，以消除Bob和Alice的光源的频率差。波长校准光在Alice和Bob之间穿过大约500公里的SMF-28线轴。双向掺铒光纤放大器（Bidirectional erbium-doped fiber amplifiers，biEDFAs）每隔50公里被插入，以保持传输光的功率。在QKD部分，光被相位调制器（PM）和强度调制器（IM）调制，并用衰减器（ATT）衰减到单光子水平，以产生具有相位参考信号的量子信号。光线最后通过329.3公里和329.4公里的超低损耗光纤线轴（658.7公里）发送到Charlie进行探测。Charlie使用密集波分复用器（Dense Wavelength Division Multiplexer，DWDM），在偏振分光器（PBS）和分光器（BS）之前使用循环器（CIR）来过滤噪音。干涉结果由超导纳米线单光子探测器（SNSPD）检测。此外，在QKD通道和波长校准信道（wavelength calibration channel）中插入光纤拉伸器（fiber stretchers），作为人工振源。EPC：电偏振控制器。PC：偏振控制器。

在实验中，一根658公里的G.652超低损耗光纤，总损耗为106 dB，并被用作量子信道，包括连接点在内的平均值为0.161 dB/公里；这其中Charlie的分量损耗和插入损耗被优化到1.3 dB。然后，团队采用探测效率为82%、有效暗计数率为4 Hz的高性能SNSPD来探测扰动，并设置0.3ns的时间门来抑制噪声。最终的噪声被优化为每个脉冲6×10^-9，其中约80%来自瑞利散射。

经过计算，在考虑有限密钥效应的情况下，最终的安全密钥率为R = 9.22 × 10^-10，考虑到100 MHz的有效系统频率，约为0.092比特/秒（bps）。实验结果如下：

SNS-TF-QKD实验的安全密钥率。绿星表示658公里超低频光纤上的实验结果，安全密钥率为R = 9.22 × 10^-10。黄色钻石、紫色圆圈和蓝色三角形、黑色方块表示已有实验的参考文献中的实验结果。红色曲线是用实验参数进行的模拟结果。棕色的虚线和青色的虚线显示的是绝对和相对的PLOB边界。

接下来，团队用固定频率调制PZT振动发生器，模拟通道中的振动扰动。在PZT振动发生在658公里的量子信道中的情况下，相位漂移是通过随之计算与相位参考脉冲的相对相位差来恢复的：将调制设置为正弦信号，选择的频率分别为1 Hz、10 Hz、100 Hz和1 kHz，这也是地震和声波传感中的关注频率范围。在时域、恢复的相位变化，与主动调制信号即外部施加在光纤上的振动完全匹配。

通过QKD链路的振动测试结果。蓝色曲线表示恢复的相对相位变化信号。灰色虚线表示程序控制的PZT的调制信号。

研究人员通过实验证明了在658公里超低损耗光纤上的SNS-TF-QKD，考虑有限密钥效应的情况下，实现了每脉冲9.22×10^-10的安全密钥率。团队用相位参考和频率锁定通道恢复了光纤上1 Hz-1 kHz的振动扰动，最终实现了658公里的光纤双场量子密钥分发和光纤振动传感，对QKD链路上人工振源的扰动位置进行了定位，精度优于1公里。

这一工作提供了一个原则性的证明：即TF-QKD架构能够用于超长距离的振动传感，同时分发安全密钥。未来，团队期望所开发的技术可以扩大QKD网络的应用，特别是在地震检测、滑坡监测和高速公路交通监测等领域，这些领域需要分布式地震检测。

多伦多大学的量子信息专家、MDI-QKD协议提出者Hoi-Kwong Lo说：“在这么远的距离上检测振动令人印象深刻。”他指出，目前已经开发了类似的技术来感知光纤沿线的振动，例如最近的一项使用水下电信光纤检测地震的实验。该论文的作者之一，英国国家物理实验室的Giuseppe Marra说，新的QKD演示遵循与他和其他之前工作相同的概念。他说：“基于这种技术的未来QKD链路可以从已安装的光纤中提供有用的额外地震信息。”

参考链接：

[1]http://news.ustc.edu.cn/info/1055/79044.htm

[2]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.180502

[3]https://physics.aps.org/articles/v15/63