近日，中國科學技術(shù)大學潘建偉院士團隊與濟南量子技術(shù)研究院團隊合作，實現(xiàn)了一套融合量子密鑰分發(fā)和光纖振動傳感的實驗系統(tǒng)。

前述團隊在完成光纖雙場量子密鑰分發(fā)(TF-QKD)同時，實現(xiàn)了658公里的遠距離光纖傳感，定位精度達到1公里，大幅突破了傳統(tǒng)光纖振動傳感技術(shù)難以超過100公里的距離限制。相關(guān)成果以“編輯推薦”的形式發(fā)表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)，并被美國物理學會(APS)下屬網(wǎng)站“Physics”報道。

圖片來自《物理評論快報》(Physical Review Letters)

光纖振動傳感以光纖作為傳感器進行振動感知，通過利用單根光纖同時實現(xiàn)振動監(jiān)測和信號傳輸，由于具有靈敏度高、響應快、結(jié)構(gòu)簡單、分布均勻等優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、油氣管道泄漏監(jiān)測、周界防護和地震監(jiān)測等工程領(lǐng)域具有廣泛的應用前景，因此引起了人們的廣泛關(guān)注和研究。當前，光纖振動傳感多使用分布式聲波傳感技術(shù)，其傳感距離被限制在100公里以內(nèi)，面臨的一個重要技術(shù)挑戰(zhàn)是如何克服距離限制，實現(xiàn)遠距離的光纖振動傳感。

量子密鑰分發(fā)(QKD)則基于量子力學基本原理，結(jié)合“一次一密”的加密方式，可以實現(xiàn)無條件安全的保密通信。因為其重要的現(xiàn)實意義，QKD一直是過去幾十年來國際學術(shù)界的研究熱點。2018年提出的TF-QKD協(xié)議，可以突破QKD成碼率的線性界限，被認為是實現(xiàn)超遠距離光纖QKD的最優(yōu)方案。然而，TF-QKD技術(shù)要求相當苛刻，需要兩個遠程獨立激光器的單光子干涉。而光源頻率微小的偏差以及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(zhì)量。

光纖藝術(shù)圖，圖片來自Sono Creative/stock.adobe.com

在實際應用中，沿光纖鏈路的聲音、振動等噪聲不可避免，因此，TF-QKD實驗過程中需要實時探測環(huán)境噪聲引起的光纖相位變化，并對其進行實時或數(shù)據(jù)后處理補償。一般來說，這些相位變化的信息在QKD實驗結(jié)束后會被丟棄。但事實上，這些“冗余”信息反映了光纖中透射光的實時相位變化，可能來源于沿光纖鏈路的振動擾動或者溫度漂移。通過分析這些相位變化信息，再結(jié)合振動的一些特性，即可獲得振動信息并進行定位，從而實現(xiàn)超遠距離光纖振動傳感。

此次，中國科學技術(shù)大學潘建偉、張強研究組基于濟南量子技術(shù)研究院王向斌提出的“發(fā)”或“不發(fā)送”TF-QKD(SNS-TF-QKD)協(xié)議，利用時頻傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，精確控制兩臺獨立激光器(Alice和Bob)的頻率。團隊與中科大陳旸和趙東鋒合作，利用附加相位參考光來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(chǎn)生的外部擾動，并結(jié)合中科院上海微系統(tǒng)所尤立星團隊研制的高計數(shù)率低噪聲單光子探測器，最終實現(xiàn)了658公里的光纖雙場量子密鑰分發(fā)和光纖振動傳感，對鏈路上人工振源的擾動位置進行了定位，精度優(yōu)于1公里。

SNS-TF-QKD實驗的安全密鑰率，圖片來自論文

“我們展示了不在TF-QKD網(wǎng)絡添加新的光纖或硬件情況下，收集振動傳感數(shù)據(jù)的可能性。”張強說道。

TF-QKD實驗由兩個位于光纖兩端的光學裝置組成，分別名為Alice和Bob。每個裝置產(chǎn)生一個隨機的比特串，并將其作為光信號通過光纖發(fā)送到一個名為Charlie的中間節(jié)點，兩種信號在此相互干擾，所得到的光信號隨后被傳輸回Alice和Bob，并利用干擾結(jié)果生成一個共享密鑰。

實驗裝置示意圖，圖片來自論文

研究團隊表示，前述實驗系統(tǒng)可以用來檢測地震振動，其方法是安裝一個壓電裝置，使Alice的光纖在特定位置振動，頻率設(shè)置在1到1000Hz（赫茲）之間，在地震傳感范圍內(nèi)。其振動產(chǎn)生的相位變化在0.9到50弧度（1弧度為57.296角度）之間，系統(tǒng)可以捕捉到這些變化。張強表示，地震波應該會產(chǎn)生更大的相位變化，在幾百到幾千弧度之間。團隊對頻率校準鏈路進行了類似測試，即在TF-QKD系統(tǒng)上用一根單獨的光纖來鎖定Alice和Bob激光器的頻率，并使用這一鏈路來精確定位振動源的位置，精度為1公里。

“未來基于這項新技術(shù)的QKD網(wǎng)絡，可以從已有光纖中提供有用的地震相關(guān)信息。”英國國家物理實驗室(NPL)量子專家Giuseppe Marra說道。

通過QKD網(wǎng)絡的振動測試結(jié)果，圖片來自論文

前述成果表明，TF-QKD網(wǎng)絡架構(gòu)不僅能實現(xiàn)超長距離分發(fā)安全密鑰，同時也能應用于超長距離振動傳感，實現(xiàn)廣域量子通信網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)的融合，以及用于探測和定位地震。

論文第一作者為中國科學技術(shù)大學博士生陳玖朋和張馳，前述研究獲得科技部、自然科學基金委、中科院、山東省和安徽省等的資助。