近日，中國科學技術大學潘建偉及其同事彭承志、張強等與清華大學王向斌，中科院上海微系統所尤立星等人合作，首次在國際上實現了基于遠距離自由空間信道的測量設備無關量子密鑰分發（MDI-QKD）實驗。相關成果于2020年12月23日以編輯推薦（Editors' Suggestion）的形式在線發表在《物理評論快報》上（Phys. Rev. Lett. 125, 260503 (2020)）。美國物理學會Physics網站以“量子物理保證無線通信安全 ”（Securing a Wireless Link with Quantum Physics）為題專門對該工作做了報道。這項成果不僅實現了將MDI-QKD從光纖信道拓展到自由空間信道的突破，也開啟了在自由空間信道中實現基于遠距離量子干涉的更復雜的量子信息處理任務的可能。

MDI-QKD協議利用雙光子干涉技術消除了探測端的所有安全漏洞，無需對測量端的量子設備進行任何安全性假設，被認為是各種量子密鑰分發協議中的最佳候選協議之一。自2012年首次提出以來，MDI-QKD協議已在光纖信道上得到快速發展，在距離更遠、密鑰速率更高和網絡驗證等方向取得了一系列突破。然而由于光纖存在固有損耗，量子信號又不能像經典通信那樣被放大。根據數據測算，通過1200公里的光纖，即使有每秒百億發射率的單光子源和完美的探測器，也需要數百萬年才能建立一個比特的密鑰。

對于另一種重要的信道，也就是自由空間信道，由于外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小，所以通過衛星的輔助可以極大擴展量子通信距離。近年來，隨著“墨子號”量子科學實驗衛星的成功，基于衛星平臺和地面光纖網相結合的量子通信已成為構建覆蓋全球量子通信網絡最為可行的手段。盡管MDI-QKD在光纖中得到了成功的實現，但由于大氣湍流的存在，如何在如此不穩定的信道中實現量子干涉成為了巨大的挑戰，這也使MDI-QKD一直未能在自由空間信道中實現。

由于自由空間信道的大氣湍流破壞了空間模式，在進行干涉測量前需要用單模光纖進行空間濾波，由此帶來的耦合效率低下和強度漲落是本實驗的兩大難點。為了解決耦合效率低下的問題，研究團隊首先開發了一種基于隨機梯度下降算法的具有抵抗強湍流能力的自適應光學系統，使雙鏈路總信道效率提升約4~10倍。光強的快速漲落使得光纖MDI-QKD系統中的時鐘傳遞、光頻比對方法難以直接應用于自由空間信道中。為此，實驗團隊在三個實驗點分別使用了超穩晶振作為獨立時鐘源（Allen方差8×10-14），并通過測量脈沖到達時間實時反饋，得到32 ps的獨立時鐘同步精度；在兩個編碼端分別使用HCN分子吸收池校準光頻，使得干涉光的頻率差小于10 MHz，從而實現了遠距離獨立激光器之間的鎖頻。

得益于上述一系列技術突破，實驗團隊利用清華大學王向斌教授的四強度優化協議，最終在上海城市大氣信道中實現了第一個自由空間MDI-QKD實驗。兩個信道長度分別為7.7 km和11.5 km，通信雙方Alice和Bob間距離為19.2 km，該距離也遠遠超過了地球大氣的等效厚度，這意味著本工作也向著基于衛星的MDI-QKD邁出堅實一步。此外，在MDI-QKD以外的許多量子信息任務中，實現獨立單光子在自由空間信道中長距離傳播后的量子干涉是不可避免的。本工作發展的相關技術為在自由空間進行量子干涉的相關量子實驗開辟了道路，如量子中繼器、量子網絡，以及在大空間尺度中探索量子力學與廣義相對論融合等基本問題。

圖1、遠距離自由空間MDI-QKD實驗裝置圖

該工作的共同第一作者為曹原副研究員、博士后李宇懷和博士研究生楊奎星。上述研究得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院、上海市和安徽省的支持。