原標(biāo)題：中國(guó)科大量子通信領(lǐng)域重要進(jìn)展：首次在自由空間信道實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在量子通信領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，首次在自由空間信道實(shí)現(xiàn)了測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)（MDI-QKD）實(shí)驗(yàn)。以下是對(duì)這一進(jìn)展的詳細(xì)歸納與分析：

一、實(shí)驗(yàn)背景與意義

• 背景：量子密鑰分發(fā)（QKD）是一種利用量子力學(xué)原理保證通信安全的技術(shù)。MDI-QKD協(xié)議作為QKD的一種，利用雙光子干涉技術(shù)消除了探測(cè)端的所有安全漏洞，無(wú)需對(duì)測(cè)量端的量子設(shè)備進(jìn)行任何安全性假設(shè)，被認(rèn)為是各種量子密鑰分發(fā)協(xié)議中的最佳候選協(xié)議之一。然而，MDI-QKD在自由空間信道中的實(shí)現(xiàn)一直面臨大氣湍流等挑戰(zhàn)。

• 意義：此次實(shí)驗(yàn)不僅實(shí)現(xiàn)了MDI-QKD從光纖信道到自由空間信道的突破，還開(kāi)啟了在自由空間信道中實(shí)現(xiàn)基于遠(yuǎn)距離量子干涉的更復(fù)雜的量子信息處理任務(wù)的可能。這對(duì)于構(gòu)建覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。

二、實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)與成果

• 實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉教授及其同事彭承志、張強(qiáng)等，與清華大學(xué)王向斌教授、中科院上海微系統(tǒng)所尤立星等人合作完成了此次實(shí)驗(yàn)。

• 成果：相關(guān)成果于2020年12月23日以編輯推薦的形式在線發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。實(shí)驗(yàn)在上海城市大氣信道中實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)信道長(zhǎng)度分別為7.7km和11.5km的MDI-QKD，通信雙方Alice和Bob間距離為19.2km，該距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了地球大氣的等效厚度。

三、實(shí)驗(yàn)技術(shù)難點(diǎn)與解決方案

• 技術(shù)難點(diǎn)：

1. 自由空間信道的大氣湍流破壞了空間模式，導(dǎo)致干涉測(cè)量前的耦合效率低下。

2. 光強(qiáng)的快速漲落使得光纖MDI-QKD系統(tǒng)中的時(shí)鐘傳遞、光頻比對(duì)方法難以直接應(yīng)用于自由空間信道中。

• 解決方案：

1. 開(kāi)發(fā)了一種基于隨機(jī)梯度下降算法的具有抵抗強(qiáng)湍流能力的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，使雙鏈路總信道效率提升約4~10倍。

2. 在三個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分別使用了超穩(wěn)晶振作為獨(dú)立時(shí)鐘源，并通過(guò)測(cè)量脈沖到達(dá)時(shí)間實(shí)時(shí)反饋，得到32ps的獨(dú)立時(shí)鐘同步精度。在兩個(gè)編碼端分別使用HCN分子吸收池校準(zhǔn)光頻，使得干涉光的頻率差小于10MHz，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離獨(dú)立激光器之間的鎖頻。

四、實(shí)驗(yàn)影響與展望

• 影響：此次實(shí)驗(yàn)的成功不僅驗(yàn)證了MDI-QKD在自由空間信道中的可行性，還為基于衛(wèi)星的MDI-QKD邁出了堅(jiān)實(shí)一步。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)發(fā)展的相關(guān)技術(shù)為在自由空間進(jìn)行量子干涉的相關(guān)量子實(shí)驗(yàn)開(kāi)辟了道路，如量子中繼器、量子網(wǎng)絡(luò)等。

• 展望：未來(lái)，隨著量子通信技術(shù)的不斷發(fā)展，基于衛(wèi)星平臺(tái)和地面光纖網(wǎng)相結(jié)合的量子通信網(wǎng)絡(luò)將成為構(gòu)建覆蓋全球量子通信網(wǎng)絡(luò)最為可行的手段。此次實(shí)驗(yàn)的成功為這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了重要支持。

綜上所述，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在量子通信領(lǐng)域取得的這一重要進(jìn)展，不僅實(shí)現(xiàn)了MDI-QKD從光纖信道到自由空間信道的突破，還為未來(lái)的量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。