近日，中國科學技術(shù)大學潘建偉、張強等與濟南量子技術(shù)研究院王向斌、劉洋等合作，實現(xiàn)了一套融合量子密鑰分發(fā)和光纖振動傳感的實驗系統(tǒng)，在完成光纖雙場量子密鑰分發(fā)(TF-QKD)的同時，實現(xiàn)了658公里遠距離光纖傳感，定位精度達到1公里，大幅突破了傳統(tǒng)光纖振動傳感技術(shù)距離難以超過100公里的限制。相關(guān)研究成果以“編輯推薦”的形式發(fā)表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上，并被美國物理學會(APS)下屬網(wǎng)站“Physics”報道。
光纖振動傳感以光纖作為傳感器進行振動感知，通過利用單根光纖同時實現(xiàn)振動監(jiān)測和信號傳輸，由于具有靈敏度高、響應快、結(jié)構(gòu)簡單、分布均勻等優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、油氣管道泄漏監(jiān)測、周界防護和地震監(jiān)測等工程領(lǐng)域具有廣泛的應用前景，因此引起了人們的廣泛關(guān)注和研究。當前，光纖振動傳感多使用分布式聲波傳感技術(shù)，其傳感距離被限制在100公里以內(nèi)，面臨的一個重要技術(shù)挑戰(zhàn)是如何克服距離限制，實現(xiàn)遠距離的光纖振動傳感。
量子密鑰分發(fā)(QKD)則基于量子力學基本原理，結(jié)合“一次一密”的加密方式，可以實現(xiàn)無條件安全的保密通信。因為其重要的現(xiàn)實意義，QKD一直是過去幾十年來國際學術(shù)界的研究熱點。2018年提出的TF-QKD協(xié)議，可以突破QKD成碼率的線性界限，被認為是實現(xiàn)超遠距離光纖QKD的最優(yōu)方案。然而，TF-QKD技術(shù)要求相當苛刻，需要兩個遠程獨立激光器的單光子干涉，光源頻率微小的偏差以及光纖鏈路任何波動都會積累相位噪聲而降低單光子干涉的質(zhì)量。
在實際應用中，沿光纖鏈路的聲音、振動等噪聲不可避免，因此，TF-QKD實驗過程中需要實時探測環(huán)境噪聲引起的光纖相位變化，并對其進行實時或數(shù)據(jù)后處理補償。一般來說，這些相位變化的信息在QKD實驗結(jié)束后會被丟棄。但事實上，這些“冗余”信息反映了光纖中透射光的實時相位變化，可能來源于沿光纖鏈路的振動擾動或者溫度漂移。通過分析這些相位變化信息，再結(jié)合振動的一些特性，即可獲得振動信息并進行定位，從而實現(xiàn)超遠距離光纖振動傳感。
潘建偉、張強研究組基于濟南量子技術(shù)研究院王向斌提出的“發(fā)”或“不發(fā)送”TF-QKD(SNS-TF-QKD)協(xié)議，利用時頻傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)精確控制兩臺獨立激光器的頻率，與中國科大陳旸和趙東鋒合作，利用附加相位參考光來估算光纖的相對相位快速漂移，恢復了加載在光纖信道上的人工可控振源產(chǎn)生的外部擾動，結(jié)合中科院上海微系統(tǒng)所尤立星團隊研制的高計數(shù)率低噪聲單光子探測器，最終實現(xiàn)了658公里的光纖雙場量子密鑰分發(fā)和光纖振動傳感，對鏈路上人工振源的擾動位置進行了定位，精度優(yōu)于1公里。
上述研究成果表明，TF-QKD網(wǎng)絡架構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)超長距離分發(fā)安全密鑰，同時也能應用于超長距離振動傳感，實現(xiàn)廣域量子通信網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)的融合。
本研究論文的第一作者是中國科學技術(shù)大學博士生陳玖朋和張馳。
該工作得到了科技部、自然科學基金委、中科院、山東省和安徽省等的資助。(合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、物理學院、科研部)
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