科学家实现658公里量子密钥分发和光纤振动传
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、家实刘洋等合作,现公纤振研制出一套融合量子密钥分发和光纤振动传感的密钥实验系统,在完成光纤双场量子密钥分发的和光同时,实现658公里远距离光纤传感,动传定位精度达到1公里,科学大幅突破传统光纤振动传感距离难以超过100公里的家实限制。相关成果5月2日发表于《物理评论快报》。现公纤振
光纤振动传感通过利用光纤中光信号时间、密钥相位、和光振幅等信息监测链路中的动传振动信息,具有灵敏度高、科学响应快、家实结构简单、现公纤振分布均匀等优点,在建筑结构健康监测、油气管道泄漏监测、地震监测等工程领域具有广泛应用前景。目前,主流光纤振动传感方案采用的是分布式声波传感技术,可以精确测量光纤每个位置产生的振动信息,但传感距离很难超过100公里。
量子密钥分发基于量子力学基本原理,结合“一次一密”加密方式可以实现无条件安全的保密通信。双场量子密钥分发协议不仅可以实现非常高的现实安全性,更提供了超越一般量子密钥分发协议工作距离的可能性,被认为是实现超远距离光纤量子密钥分发的最优方案。
然而,双场量子密钥分发技术要求苛刻,需要两个远程独立激光器的单光子干涉,光源频率微小的偏差、光纤链路的任何波动,都会积累相位噪声而降低单光子干涉的质量。因此,在双场量子密钥分发实验中,需要检测光纤振动等引起的相位快速变化,并进行补偿。
一般来说,这些相位变化的信息在实验结束后会被“丢弃”。但事实上,这些“冗余”信息来源于光纤振动引起的相位变化。通过分析这些信息,可以获得光纤链路震动信号。根据通信双方测量结果的时间相关性,可对震动信号进行定位,实现超远距离光纤振动传感。
潘建伟、张强等基于王向斌提出的“发或不发”双场量子密钥分发协议,利用时频传输等关键技术精确控制两台独立激光器的频率。他们与中国科大陈旸、赵东锋合作,利用附加相位参考光估算光纤的相对相位快速漂移,恢复了加载在光纤信道上的人工可控振源产生的外部扰动。结合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,最终实现658公里的极远距离光纤双场量子密钥分发,并在该系统中成功进行了光纤传感测试。
国际著名量子密码专家、多伦多大学教授Hoi-Kwong Lo评价该工作:“在如此长的距离探测振动令人印象深刻。”量子精密测量专家、英国国家物理实验室Giuseppe Marra认为:“未来基于这项新技术的量子密码网络可以提供许多地震的相关信息。”
相关论文信息:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.180502
作者:王敏 来源:中国科学报
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