中國科學技術大學官方宣布，通過發展低串擾相位參考信號控制、極低噪聲單光子探測器等技術，實現了光纖中1002公里點對點遠距離量子密鑰分發，不僅創下了光纖無中繼量子密鑰分發距離的世界紀錄，也提供了城際量子通信高速率主幹鏈路的方案。

這項研究由中國科技大學潘建偉、張強等主導，與清華大學王向斌、濟南量子技術研究院劉洋、中國科學院上海微系統所尤立星、張偉君等合作。

相關研究成果於5月25日發表在國際學術期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）雜誌。

據介紹，量子密鑰分發（QKD）基於量子力學基本原理，可以在用戶間進行安全的密鑰分發，結合“一次一密”的加密方式，進而可實現最高安全性的保密通信。

然而，量子密鑰分發的距離一直受到通信光纖的固有損耗和探測器噪聲等因素的限制。

雙場量子密鑰分發（TF-QKD）協議利用單光子乾涉的特性，將成碼率與距離的關係，從一般量子密鑰分發的線性關係提升至平方根的水平，因此可以獲得遠超過一般量子密鑰分發方案的成碼距離。

在這項工作中，研究團隊採用了王向斌等提出的“發送-不發送”雙場量子密鑰分發協議，在現實條件下可以有效地提升量子密鑰分發系統工作距離。

為了進行極遠距離的量子密鑰分發，研究團隊與長飛光纖光纜股份有限公司合作，採用基於“純二氧化矽纖芯”技術的超低損光纖，實現低於0.16 dB/km的量子信道光纖鏈路。

中科院上海微系統所發展了極低噪聲超導單光子探測器，通過在40 K和2.2K溫區進行多級濾波抑制熱輻射引起的暗計數，將單光子探測器的噪聲降低至0.02 cps。

研究團隊還發展了時分複用的雙波長相位估計方案，避免了同波長參考光二次瑞利散射、不同波長參考光自發拉曼散射等噪聲影響，將鏈路噪聲降低至0.01 Hz以下。

遠距離量子密鑰分發實驗系統原理圖

在上述技術發展的基礎上，實現了最遠達1002千米的雙場量子密鑰分發，獲得0.0034 bps成碼率。

對系統參數進行優化後，在202 km光纖距離下獲得47.06 kbps成碼率，並且在300km和400 km光纖距離下，獲得的成碼率相較原始“測量器件無關”量子密鑰分發提高了6個數量級。

這項研究不僅驗證了極遠距離下雙場量子密鑰分發方案的可行性，也驗證了在城際光纖距離下，採用該協議可以實現高成碼率的量子密鑰分發，適合城際量子通信主幹鏈路使用。

該工作得到了審稿人的高度評價，認為是“該領域極其重要的進展，量子密鑰分發技術新的里程碑(a significant advance for the field and a new landmark for QKD technology) ”。

遠距離量子密鑰分發實驗成碼率結果圖