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图 远距离量子密钥分发实验系统原理图
在国家自然科学基金项目（批准号：T2125010、12174215、61971409、61971408）等资助下，中国科学技术大学潘建伟、张强等与济南量子技术研究院、中国科学院上海微系统所和清华大学等单位合作，实现了光纤中1002公里点对点远距离量子密钥分发，不仅创下了光纤无中继量子密钥分发距离的世界纪录，也提供了城际量子通信高速率主干链路的方案。相关研究以“超1000公里双场量子密钥分发实验 (Experimental Twin-Field Quantum Key Distribution over 1000 km Fiber Distance)”为题，于5月25日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上，论文链接为：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.210801。
量子密钥分发基于量子力学基本原理，可以在用户间进行安全的密钥分发，结合“一次一密”的加密方式，进而可实现最高安全性的保密通信。然而，量子密钥分发的距离一直受到通信光纤的固有损耗和探测器噪声等因素的限制。双场量子密钥分发协议利用单光子干涉的特性，将成码率与距离的关系从一般量子密钥分发的线性关系提升至平方根的水平，因此可以获得远超过一般量子密钥分发方案的成码距离。
本工作中，研究团队采用“发送-不发送”双场量子密钥分发协议，在现实条件下有效提升量子密钥分发系统工作距离（图）。为进行极远距离的量子密钥分发，研究团队与长飞光纤光缆股份有限公司合作，采用基于“纯二氧化硅纤芯”技术的超低损光纤，实现低于0.16 dB/km的量子信道光纤链路。中科院上海微系统所发展了极低噪声超导单光子探测器，通过在40 K和2.2K温区进行多级滤波抑制热辐射引起的暗计数，将单光子探测器的噪声降低至0.02 cps。研究团队还发展了时分复用的双波长相位估计方案，避免了同波长参考光二次瑞利散射、不同波长参考光自发拉曼散射等噪声影响，将链路噪声降低至0.01 Hz以下。
基于上述技术，该工作还实现了距离长达1002 km的双场量子密钥分发，获得0.0034 bps成码率。对系统参数进行优化后，在202 km光纤距离下获得47.06 kbps成码率，并且在300 km和400 km光纤距离下，获得的成码率相较原始“测量器件无关”量子密钥分发提高了6个数量级。该工作不仅验证了极远距离下双场量子密钥分发方案的可行性，也验证了在城际光纤距离下，采用该协议可以实现高成码率的量子密钥分发，适合城际量子通信主干链路使用。