量子密鑰分發(fā)可以為分隔兩地的用戶提供無條件安全的共享密鑰。從1984年第一個量子密鑰分發(fā)協(xié)議（BB84協(xié)議）提出以來，增加安全通信距離、提高安全成碼率和提高現(xiàn)實系統(tǒng)的安全性是開發(fā)實用性量子密鑰分發(fā)最重要的3個目標(biāo)。

 

    近年來，中國科大潘建偉小組圍繞上述3個目標(biāo)進行了原創(chuàng)性的實驗研究，取得了一系列國際領(lǐng)先的成果：2013年，在國際上首次實現(xiàn)測量設(shè)備無關(guān)的量子密鑰分發(fā)，徹底解決了所有針對探測系統(tǒng)的黑客攻擊，被美國物理學(xué)會評選為2013年度國際物理學(xué)重大進展；2014年，將測量設(shè)備無關(guān)的量子密鑰分發(fā)安全通信距離拓展至200公里，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄；2016年，又在國際上首次實現(xiàn)了基于非可信中繼的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。然而，這些實驗的安全成碼率較低，嚴(yán)重限制了該技術(shù)的實際應(yīng)用。

 

    針對此問題，清華大學(xué)王向斌小組提出了4強度優(yōu)化理論方法，可以大幅度提高安全成碼率和安全距離。理論分析表明，該方法在典型實驗條件下可以將成碼率提高近兩個數(shù)量級，從而大幅度提高實用化水平。

 

    2016年，潘建偉小組進一步通過發(fā)展穩(wěn)定的雙光子干涉技術(shù)和系統(tǒng)長時間穩(wěn)定技術(shù)，采用王向斌教授發(fā)展的理論方法，結(jié)合上海微系統(tǒng)所尤立星研究員研制的高效低噪聲超導(dǎo)納米線單光子探測器，成功地將測量設(shè)備無關(guān)的量子密鑰分發(fā)安全傳輸紀(jì)錄拓展至404公里超低損耗光纖和311公里普通光纖距離，創(chuàng)造了光纖傳輸距離新的世界紀(jì)錄。

 

    特別值得指出的是，在相同現(xiàn)實條件下，即使利用完美單光子源，BB84協(xié)議也不能在這么長的傳輸距離上實現(xiàn)。該實驗在207公里處的安全成碼率比2014年的200公里實驗提高了500多倍；在102公里的安全成碼率已經(jīng)足以保證安全的語音通話，從而充分驗證了測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)的實用性。

 

    該成果近日發(fā)表在國際物理學(xué)權(quán)威期刊《物理評論快報》上，審稿人高度評價它“是一個杰出的成就”“打破了BB84協(xié)議下單光子源的傳輸終極極限”。