我國科學家實現658公里量子密鑰分發和光纖振動傳感

融合量子密鑰分發和光纖振動傳感的實驗裝置示意圖 中國科大供圖

光纖振動傳感通過利用光纖中光信號時間、相位、振幅等信息監測鏈路中的振動信息，具有靈敏度高、響應快、結構簡單、分布均勻等優點，在建筑結構健康監測、油氣管道泄漏監測、地震監測等工程領域具有廣泛應用前景。目前，主流光纖振動傳感方案采用的是分布式聲波傳感技術，可以精確測量光纖每個位置產生的振動信息，但傳感距離很難超過100公里。

量子密鑰分發基于量子力學基本原理，結合“一次一密”加密方式可以實現無條件安全的保密通信。雙場量子密鑰分發協議不僅可以實現非常高的現實安全性，更提供了超越一般量子密鑰分發協議工作距離的可能性，被認為是實現超遠距離光纖量子密鑰分發的最優方案。

然而，雙場量子密鑰分發技術要求苛刻，需要兩個遠程獨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，都會積累相位噪聲而降低單光子干涉的質量。因此，在雙場量子密鑰分發實驗中，需要檢測光纖振動等引起的相位快速變化，并進行補償。

一般來說，這些相位變化的信息在實驗結束后會被“丟棄”。但事實上，這些“冗余”信息來源于光纖振動引起的相位變化。通過分析這些信息，可以獲得光纖鏈路震動信號。根據通信雙方測量結果的時間相關性，可對震動信號進行定位，實現超遠距離光纖振動傳感。

潘建偉、張強等基于王向斌提出的“發或不發”雙場量子密鑰分發協議，利用時頻傳輸等關鍵技術精確控制兩臺獨立激光器的頻率。他們與中國科大陳旸、趙東鋒合作，利用附加相位參考光估算光纖的相對相位快速漂移，恢復了加載在光纖信道上的人工可控振源產生的外部擾動。結合中科院上海微系統所尤立星團隊研制的高計數率、低噪聲單光子探測器，最終實現658公里的極遠距離光纖雙場量子密鑰分發，并在該系統中成功進行了光纖傳感測試。

國際著名量子密碼專家、多倫多大學教授Hoi-Kwong Lo評價該工作：“在如此長的距離探測振動令人印象深刻。”量子精密測量專家、英國國家物理實驗室Giuseppe Marra認為：“未來基于這項新技術的量子密碼網絡可以提供許多地震的相關信息。”

相關論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.180502