我国学者在融合远距离量子密钥分发和光纤振动传感方面取得进展

　　

图  基于光纤双场量子密钥分发（TF-QKD）协议的光纤振动传感实验原理图

　　在国家自然科学基金项目（批准号：T2125010）的资助下，中国科学技术大学潘建伟教授、张强教授，实现了一套融合量子密钥分发和光纤振动传感的实验系统，在完成658公里光纤双场量子密钥分发的同时，实现了远距离光纤传感，定位精度达到1公里，突破了传统光纤振动传感技术难以超过100公里的限制。相关研究成果以“658公里光纤量子密钥分发和振动传感（Quantum Key Distribution over 658 km Fiber with Distributed Vibration Sensing）”为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）。论文链接为：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.180502。

　　光纤振动传感是以光纤作为传感器进行振动感知，具有灵敏度高、响应快、结构简单、分布均匀等优点，在实时振动监测方面具有广泛的应用前景。当前光纤传感多使用分布式声波传感技术，使其传感距离被限制在100公里之内，因此更远距离的光纤振动传感面临原理和技术上的挑战。

　　量子密钥分发（QKD）结合“一次一密”的加密方式可以实现无条件安全的保密通信。2018年提出的基于光纤双场量子密钥分发（TF-QKD）协议可以突破QKD成码率的线性界限，被认为是实现超远距离光纤QKD的最优方案。若将TF-QKD用于光纤振动传感，由于沿光纤链路的声音、振动等噪声不可避免，实验过程中需要实时探测环境噪声引起的光纤相位变化，并对其进行实时或数据后处理补偿。通过分析这些相位变化信息，再结合振动的一些特性，即可获得振动信息并进行定位，从而实现超远距离光纤振动传感。然而TF-QKD技术要求相当苛刻，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以及光纤链路任何波动都会积累相位噪声而降低单光子干涉的质量。

　　潘建伟教授与张强教授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，利用相位参考光来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研制的高计数率低噪声单光子探测器，不仅最终实现了658公里的光纤双场量子密钥分发和光纤振动传感，而且还实现了对链路上人工振源的扰动位置的精准定位，其精度优于1公里（图）。

　　综上，本研究成果表明，TF-QKD网络架构不仅能够实现超长距离分发安全密钥，同时也能应用于超长距离振动传感，实现广域量子通信网和光纤传感网的融合。