解放日報•上觀新聞報道：近日，中國科學技術大學潘建偉及其同事彭承志、張強等與清華大學王向斌、中科院上海微系統所尤立星等人合作，首次在國際上實現了基於遠距離自由空間信道的測量設備無關量子密鑰分發（MDI-QKD）實驗。這項成果不僅實現了將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現基於遠距離量子幹涉的更復雜的量子信息處理任務的可能。相關成果於2020年12月23日以編輯推薦的形式在線發表在《物理評論快報》上。美國物理學會相關網站以“量子物理保證無線通信安全 ”為題專門對該工作做了報道。
MDI-QKD協議利用雙光子幹涉技術消除了探測端的所有安全漏洞，無需對測量端的量子設備進行任何安全性假設，被認為是各種量子密鑰分發協議中的最佳候選協議之一。自2012年首次提出以來，MDI-QKD協議已在光纖信道上得到快速發展，在距離更遠、密鑰速率更高和網絡驗證等方向取得了一系列突破。然而，光纖存在固有損耗，量子信號又不能像經典通信那樣被放大。根據測算，通過1200公裡的光纖，即使有每秒百億發射率的單光子源和完美的探測器，也需要數百萬年才能建立一個比特的密鑰。
除了光纖，自由空間信道是另一種重要的信道，由於外太空幾乎是真空，光信號損耗非常小，因此通過衛星的輔助可以極大擴展量子通信距離。近年來，隨著“墨子號”量子科學實驗衛星的成功，基於衛星平臺和地面光纖網相結合的量子通信已成為構建覆蓋全球量子通信網絡最為可行的手段。儘管MDI-QKD在光纖中得到了成功的實現，但由於大氣湍流的存在，如何在如此不穩定的信道中實現量子幹涉成為了巨大的挑戰，這也使得MDI-QKD一直未能在自由空間信道中實現。
遠距離自由空間MDI-QKD實驗裝置圖
由於自由空間信道的大氣湍流破壞了空間模式，在進行幹涉測量前需要用單模光纖進行空間濾波，由此帶來的耦合效率低下和強度漲落是本實驗的兩大難點。為了解決耦合效率低下的問題，研究團隊首先開發了一種基於隨機梯度下降算法的具有抵抗強湍流能力的自適應光學系統，使雙鏈路總信道效率提升約4到10倍。光強的快速漲落使得光纖MDI-QKD系統中的時鐘傳遞、光頻比對方法難以直接應用於自由空間信道中。為此，實驗團隊在三個實驗點分別使用了超穩晶振作為獨立時鐘源，並通過測量脈衝到達時間實時反饋，得到32 皮秒的獨立時鐘同步精度。
得益於一系列技術突破，實驗團隊利用清華大學王向斌教授的四強度優化協議，最終在上海城市大氣信道中實現了第一個自由空間MDI-QKD實驗。
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