我国学者成功实现基于本地频率参考的双场量子密钥分发

　　

图 基于本地频率参考的双场量子密钥分发实验装置图

　　在国家自然科学基金项目（批准号：T2125010、12374470、12174215）等资助下，中国科学技术大学潘建伟教授、张强教授等与济南量子技术研究院、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、清华大学等单位合作，通过发展基于乙炔饱和吸收谱的独立光源频率稳定技术，在500公里光纤距离下，成功实现了无需统一光学频率参考的双场量子密钥分发（TF-QKD），推动了TF-QKD技术的实用化，对大规模量子通信网络构建具有重要意义。相关研究成果以“基于本地频率参考的双场量子密钥分发（Twin-Field Quantum Key Distribution with Local Frequency Reference）”为题，于2024年6月28日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)，论文链接为https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.260802。

　　量子密钥分发（QKD）基于量子力学基本原理，可以在用户间实现安全的密钥共享，结合“一次一密”加密法，可实现无条件安全的保密通信。TF-QKD协议将无中继QKD成码率随信道透过率的关系从原先的线性关系提升至平方根相关，显著提升了QKD的安全成码距离，被认为是量子通信骨干网的理想解决方案之一。然而，光源频率微小的偏差以及光纤链路中的波动都会积累相位噪声，从而降低TF-QKD的成码性能。

　　目前，针对TF-QKD光纤链路波动的补偿技术已经相对成熟，可以通过引入相位参考光并根据其干涉结果，进行实时的主动相位反馈，或者在数据后处理中进行补偿。要实现TF-QKD的实用化，还需要解决远距离独立激光器的频率偏差这一主要挑战。尽管可以利用统一的光学频率，通过时频传输或光学锁相环来控制独立激光器的频率，或者采用高速率的单光子探测并结合数据处理算法进行补偿，但这些方法都大大增加了TF-QKD在实际网络部署中的技术难度和成本，从而阻碍了其实用化的进程。

　　本工作中，研究团队通过分析TF-QKD独立光源的频率稳定性要求，提出了一种利用乙炔饱和吸收光谱作为本地绝对频率参考的方法，并在500公里的光纤距离下成功进行了验证。该方案降低了激光器频率偏差控制的实施成本和技术难度，使得TF-QKD系统更为简便实用。该研究表明，在TF-QKD的大规模量子通信网络中，所有节点可以只需依靠本地参考，而不需要节点间共享统一的光学频率参考，这为TF-QKD的实际部署提供了更加实用可行的技术路线，有望未来在城市间和自由空间量子通信网络中得到广泛应用。