近日，北京量子信息科学研究院袁之良团队，利用光频梳技术首次实现开放式架构双场量子密钥分发系统，完成615公里光纤量子密钥分发实验。相关研究成果2023年2月18日发表在国际学术期刊《自然-通讯》上。
量子密钥分发基于量子物理的基本原理和一次一密的加密方式，可实现无条件安全通信。2018年英国东芝欧洲研究所提出新型双场协议，使得安全成码率以信道衰减的平方根线性下降，在无中继的情况下可突破码率界限，是实现500公里以上光纤量子通信的可行方案。
双场协议的实现需要两个异地的独立激光源在第三方远程节点处实现稳定的单光子干涉，但通信双方激光源的微小频差与长距离光纤造成的快速相位漂移都对干涉有重要影响。目前，传统的方案是在遥远两地间架设服务光纤作为传输媒介，然后通过时频传输或者光学锁相环等技术，完成两地激光源的频率锁定，这种闭合光纤架构（见图a）非常不利于多节点的广域量子保密网络应用。
a）传统闭合光纤架构
b）北京量子院研发的开放式架构
袁之良团队基于自主开发的相干边带稳相与异地激光源频率校准技术，研制出首个开放式架构、无需服务光纤的新型双场量子密钥分发系统（见图b），实现了低损耗光纤四百公里级、五百公里级、六百公里级的安全成码，并且打破无中继量子密钥分发的码率界限，还成功演示了臂长差为百公里的量子密钥分发实验（目前最长臂长差记录）。
相较之前的实验成果，量子信号光的相位漂移速率降低1000多倍，大大降低相位参考光的噪声影响，有助于光纤量子密钥分发距离向千公里级别突破。基于光频梳的开放式架构有利于未来构建多用户多节点的城际量子保密网络，并对基于单光子干涉的分布式量子网络具有重要意义。
该项工作得到了国家自然科学基金的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-36573-2
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