图 远距离自由空间TF-QKD实验装置示意图。（a）与（b）分别为两个发送端（Alice和Bob）的光源与发射装置；（c）为接收端（Charlie）的单光子干涉与探测装置；（d）为编码光脉冲的时间序列结构；（e）为核心编码模块的技术细节

　　在国家自然科学基金项目（批准号：92476203 等）资助下，中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志、张强、曹原等与清华大学王向斌教授等人合作，首次在国际上实现了基于远距离自由空间信道的双场量子密钥分发（TF-QKD）实验。相关成果以“自由空间双场量子密钥分发（Free-space twin-field quantum key distribution）” 为题，于2026年5月19日发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）期刊上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-026-01910-6。

　　量子密钥分发（QKD）基于量子力学基本原理，结合“一次一密”的加密方式，可实现最高安全性的保密通信。然而，其安全距离和成码率一直受到信道损耗的限制。测量设备无关量子密钥分发（MDI-QKD）协议消除了探测端的所有安全漏洞，而双场量子密钥分发（TF-QKD）协议则在此高安全性基础上进一步突破，利用独立光源之间的单光子干涉，将成码率与衰减的关系从线性提升至平方根水平，从而获得了远超一般方案的衰减容忍能力。近年来，这两种协议已在光纤信道中取得了一系列突破，但利用自由空间信道和卫星构建全球规模量子通信网络仍面临巨大挑战。由于大气湍流的存在，如何在极不稳定的信道中实现光子空间模式匹配、高精度脉冲时间同步、激光频率锁定和相位跟踪，进而完成远距离独立光源的量子干涉，一直是领域内亟待解决的难题。

　　针对上述挑战，研究团队在远距离自由空间量子干涉领域展开了系统的攻关。团队前期已成功发展了基于自适应光学的高效空间滤波技术，实现了 19.2 公里自由空间 MDI-QKD [Phys. Rev. Lett. 125, 260503 (2020), Phys. Rev. Lett. 131, 100802 (2023)]，并构建了 8.4 公里自由空间大尺度 Franson 干涉仪以证明“先传输，再单光子干涉”的可行性 [Phys. Rev. Lett. 133, 020201 (2024)]。在此基础上，实验团队进一步深入研究了大气相位噪声的特性及相位跟踪技术。通过使用超稳激光作为参考源，研究人员将远距离独立光源的频率跟踪精度大幅提升到了 10 Hz，有效降低了光源相位噪声。结合高效单模光纤耦合、远距离独立时钟同步等核心技术，团队最终在上海市内 14.2 公里的大气信道中，成功完成了国际上首个自由空间 TF-QKD 实验 [Nat. Photon. 20, 783 (2026)]。

　　该实验的通信距离已远远超过了地球大气的等效厚度，不仅实现了将 TF-QKD 从光纤信道拓展到自由空间信道的重大突破，也标志着我国向着实用化天地一体量子通信网络迈出了坚实的一步。此外，实验中构建的巨大等效单光子干涉仪，使得在自由空间信道中实现基于量子干涉的复杂量子信息处理任务成为可能，这将为量子中继器、量子网络以及弯曲时空间量子效应探测等重大前沿基础物理问题研究提供宝贵的实验工具。