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中国科大成功融合远距离量子密钥分发和光纤振动传感


时间:2022-05-04  来源:  作者:  点击次数:


最近,中国科学技术大学的潘建伟和张强与济南量子技术研究所的王和刘洋一起,实现了一个集成量子密钥分发和光纤振动传感的实验系统。同时实现了658公里的长距离光纤传感,定位精度达到1公里,大大突破了传统光纤振动传感技术距离难以超过100公里的限制。相关研究成果以“编辑推荐”的形式发表在《物理评论快报》 (Physical Review Letters)上,并被美国物理学会(APS)旗下网站Physics报道。

光纤传感器以光纤为传感器感知振动,用一根光纤同时实现振动监测和信号传输。由于其具有灵敏度高、响应快、结构简单、分布均匀等优点,在结构健康监测、油气管道泄漏监测、周界防护、地震监测等工程领域具有广阔的应用前景,引起了人们的广泛关注和研究。目前,分布式声波传感技术广泛应用于光纤振动传感,其传感距离被限制在100公里以内。一个重要的技术挑战是如何克服距离限制,实现长距离光纤振动传感。

量子密钥分发(Quantum key distribution,QKD)基于量子力学的基本原理,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。由于其重要的现实意义,QKD在过去几十年一直是国际学术界的研究热点。2018年提出的TF-QKD协议,可以突破QKD速率的线性极限,被认为是实现超长距离光纤QKD的最佳方案。但是TF-QKD的技术要求相当严格,需要两个远程独立激光器的单光子干涉。光源频率的微小偏差和光纤链路的任何波动都会积累相位噪声,降低单光子干涉的质量。

在实际应用中,沿着光纤链路的声音和振动等噪声是不可避免的。因此,在TF-QKD实验中,需要实时检测环境噪声引起的光纤相位变化,并对其进行实时或后处理补偿。一般来说,这些相变的信息在QKD实验后会被丢弃。但实际上,这些“冗余”信息反映的是光纤中传输光的实时相位变化,这种变化可能来自于光纤链路上的振动扰动或温度漂移。通过分析这些相变信息,结合振动的一些特性,可以获得振动信息并进行定位,从而实现超长距离光纤振动传感。

基于济南量子技术学院王提出的“发送”或“不发送”TF-QKD(SNS-TF-QKD)协议,潘建伟和张强研究组利用时频传输等关键技术,精确控制了两路独立激光的频率。与中国科学技术大学陈赞、赵东风合作,利用附加相位参考光估计光纤相对相位漂移,恢复光纤通道上加载的人为可控振动源引起的外界扰动。结合中科院上海微系统所友利星团队研发的高计数率低噪声单光子探测器,最终实现658km的光纤双场量子密钥分发和光纤振动传感,定位链路上人工振动源的扰动位置,精度优于1km。

上述研究结果表明,TF-QKD网络架构不仅可以远距离分发安全密钥,还可以应用于远距离振动传感,实现广域量子通信网络与光纤传感网络的融合。

本研究论文的第一作者是中国科学技术大学的博士生陈九鹏和张驰。

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/physrevlett.128


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