融合量子密鑰分發(fā)和光纖振動(dòng)傳感的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 中國(guó)科大供圖

光纖振動(dòng)傳感通過(guò)利用光纖中光信號(hào)時(shí)間、相位、振幅等信息監(jiān)測(cè)鏈路中的振動(dòng)信息，具有靈敏度高、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，在建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、油氣管道泄漏監(jiān)測(cè)、地震監(jiān)測(cè)等工程領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。目前，主流光纖振動(dòng)傳感方案采用的是分布式聲波傳感技術(shù)，可以精確測(cè)量光纖每個(gè)位置產(chǎn)生的振動(dòng)信息，但傳感距離很難超過(guò)100公里。

量子密鑰分發(fā)基于量子力學(xué)基本原理，結(jié)合“一次一密”加密方式可以實(shí)現(xiàn)無(wú)條件安全的保密通信。雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議不僅可以實(shí)現(xiàn)非常高的現(xiàn)實(shí)安全性，更提供了超越一般量子密鑰分發(fā)協(xié)議工作距離的可能性，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離光纖量子密鑰分發(fā)的最優(yōu)方案。

然而，雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)技術(shù)要求苛刻，需要兩個(gè)遠(yuǎn)程獨(dú)立激光器的單光子干涉，光源頻率微小的偏差、光纖鏈路的任何波動(dòng)，都會(huì)積累相位噪聲而降低單光子干涉的質(zhì)量。因此，在雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)中，需要檢測(cè)光纖振動(dòng)等引起的相位快速變化，并進(jìn)行補(bǔ)償。

一般來(lái)說(shuō)，這些相位變化的信息在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后會(huì)被“丟棄”。但事實(shí)上，這些“冗余”信息來(lái)源于光纖振動(dòng)引起的相位變化。通過(guò)分析這些信息，可以獲得光纖鏈路震動(dòng)信號(hào)。根據(jù)通信雙方測(cè)量結(jié)果的時(shí)間相關(guān)性，可對(duì)震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離光纖振動(dòng)傳感。

潘建偉、張強(qiáng)等基于王向斌提出的“發(fā)或不發(fā)”雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議，利用時(shí)頻傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)精確控制兩臺(tái)獨(dú)立激光器的頻率。他們與中國(guó)科大陳旸、趙東鋒合作，利用附加相位參考光估算光纖的相對(duì)相位快速漂移，恢復(fù)了加載在光纖信道上的人工可控振源產(chǎn)生的外部擾動(dòng)。結(jié)合中科院上海微系統(tǒng)所尤立星團(tuán)隊(duì)研制的高計(jì)數(shù)率、低噪聲單光子探測(cè)器，最終實(shí)現(xiàn)658公里的極遠(yuǎn)距離光纖雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)，并在該系統(tǒng)中成功進(jìn)行了光纖傳感測(cè)試。

國(guó)際著名量子密碼專家、多倫多大學(xué)教授Hoi-Kwong Lo評(píng)價(jià)該工作：“在如此長(zhǎng)的距離探測(cè)振動(dòng)令人印象深刻。”量子精密測(cè)量專家、英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室Giuseppe Marra認(rèn)為：“未來(lái)基于這項(xiàng)新技術(shù)的量子密碼網(wǎng)絡(luò)可以提供許多地震的相關(guān)信息。”

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.180502