量子通信再突破！实现658公里远距离光纤传感

近日，济南量子技术研究院张强、王向斌、刘洋与中国科大潘建伟院士团队等合作，实现一套融合量子密钥分发和光纤振动传感的实验系统，在完成光纤双场量子密钥分发（tf-qkd）的同时，实现658公里远距离光纤传感，定位精度达到1公里，大幅突破传统光纤振动传感技术的距离难以超过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》（physicalreviewletters）上，并被美国物理学会（aps）下属网站“physics”报道。

光纤振动传感以光纤作为传感器进行振动感知，通过利用单根光纤同时实现振动监测和信号传输，由于具有灵敏度高、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、周界防护和地震监测等工程领域具有广泛的应用前景，因此引起广泛关注。当前，光纤振动传感多使用分布式声波传感技术，其传感距离被限制在100公里以内，科研人员面临的重要技术挑战就是克服距离限制，实现远距离的光纤振动传感。

量子密钥分发（qkd）则基于量子力学基本原理，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。因为其重要的现实意义，过去几十年来，qkd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成码率的线性界限，被认为是实现超远距离光纤qkd的最优方案。然而，tf-qkd技术要求相当苛刻，需要两个远程独立激光器的单光子干涉，光源频率微小的偏差以及光纤链路任何波动都会积累相位噪声而降低单光子干涉的质量。

在实际应用中，沿光纤链路的声音、振动等噪声不可避免，因此，tf-qkd实验过程中需要实时探测环境噪声引起的光纤相位变化，并对其进行实时或数据后处理补偿。一般来说，这些相位变化的信息在qkd实验结束后会被丢弃。事实上，这些“冗余”信息反映了光纤中透射光的实时相位变化，通过分析相位变化信息，再结合振动的特性，即可获得振动信息并进行定位，从而实现超远距离光纤振动传感。

基于王向斌教授提出的“发”或“不发送”tf-qkd（sns-tf-qkd）协议，科研人员利用时频传输等关键技术，精确控制两台独立激光器的频率，与中国科大团队合作，利用附加相位参考光来估算光纤的相对相位快速漂移，恢复加载在光纤信道上的人工可控振源产生的外部扰动，最终实现658公里的光纤双场量子密钥分发和光纤振动传感，对链路上人工振源的扰动位置进行了定位，精度优于1公里。上述研究成果表明，tf-qkd网络架构不仅能实现超长距离分发安全密钥，同也能应用于超长距离振动传感，实现广域量子通信网和光纤传感网的融合。

近年来，济南量子技术研究院与国际顶尖科学团队强强联合，不断在量子通信领域取得突破。2019年，在世界上首次验证远距离双场量子密钥分发；2020年，刷新光纤量子通信最远传输距离世界纪录至509公里；2021年，采用两种不同的技术方案分别实现428公里和511公里双场量子密钥分发，创造现场无中继光纤量子密钥分发最远传输距离新的世界纪录，实现地面跨度4600公里的天地一体多用户量子密钥分发。