近日，中國科學技術大學潘建偉院士團隊與濟南量子技術研究院團隊合作，實作了一套融合量子密鑰分發和光纖振動傳感的實驗系統。
前述團隊在完成光纖雙場量子密鑰分發(TF-QKD)同時，實作了658公裡的遠距離光纖傳感，定位精度達到1公裡，大幅突破了傳統光纖振動傳感技術難以超過100公裡的距離限制。相關成果以“編輯推薦”的形式發表在《實體評論快報》(Physical Review Letters)，并被美國實體學會(APS)下屬網站“Physics”報道。
圖檔來自《實體評論快報》(Physical Review Letters)
光纖振動傳感以光纖作為傳感器進行振動感覺，通過利用單根光纖同時實作振動監測和信号傳輸，由于具有靈敏度高、響應快、結構簡單、分布均勻等優點，在結構健康監測、油氣管道洩漏監測、周界防護和地震監測等工程領域具有廣泛的應用前景，是以引起了人們的廣泛關注和研究。目前，光纖振動傳感多使用分布式聲波傳感技術，其傳感距離被限制在100公裡以内，面臨的一個重要技術挑戰是如何克服距離限制，實作遠距離的光纖振動傳感。
量子密鑰分發(QKD)則基于量子力學基本原理，結合“一次一密”的加密方式，可以實作無條件安全的保密通信。因為其重要的現實意義，QKD一直是過去幾十年來國際學術界的研究熱點。2018年提出的TF-QKD協定，可以突破QKD成碼率的線性界限，被認為是實作超遠距離光纖QKD的最優方案。然而，TF-QKD技術要求相當苛刻，需要兩個遠端獨立雷射器的單光子幹涉。而光源頻率微小的偏差以及光纖鍊路的任何波動，都會積累相位噪聲而降低單光子幹涉的品質。
光纖藝術圖，圖檔來自Sono Creative/stock.adobe.com
在實際應用中，沿光纖鍊路的聲音、振動等噪聲不可避免，是以，TF-QKD實驗過程中需要實時探測環境噪聲引起的光纖相位變化，并對其進行實時或資料後處理補償。一般來說，這些相位變化的資訊在QKD實驗結束後會被丢棄。但事實上，這些“備援”資訊反映了光纖中透射光的實時相位變化，可能來源于沿光纖鍊路的振動擾動或者溫度漂移。通過分析這些相位變化資訊，再結合振動的一些特性，即可獲得振動資訊并進行定位，進而實作超遠距離光纖振動傳感。
此次，中國科學技術大學潘建偉、張強研究組基于濟南量子技術研究院王向斌提出的“發”或“不發送”TF-QKD(SNS-TF-QKD)協定，利用時頻傳輸等關鍵技術，精确控制兩台獨立雷射器(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，恢複了加載在光纖信道上的人工可控振源産生的外部擾動，并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，最終實作了658公裡的光纖雙場量子密鑰分發和光纖振動傳感，對鍊路上人工振源的擾動位置進行了定位，精度優于1公裡。
SNS-TF-QKD實驗的安全密鑰率，圖檔來自論文
“我們展示了不在TF-QKD網絡添加新的光纖或硬體情況下，收集振動傳感資料的可能性。”張強說道。
TF-QKD實驗由兩個位于光纖兩端的光學裝置組成，分别名為Alice和Bob。每個裝置産生一個随機的比特串，并将其作為光信号通過光纖發送到一個名為Charlie的中間節點，兩種信号在此互相幹擾，所得到的光信号随後被傳輸回Alice和Bob，并利用幹擾結果生成一個共享密鑰。
實驗裝置示意圖，圖檔來自論文
研究團隊表示，前述實驗系統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，頻率設定在1到1000Hz（赫茲）之間，在地震傳感範圍内。其振動産生的相位變化在0.9到50弧度（1弧度為57.296角度）之間，系統可以捕捉到這些變化。張強表示，地震波應該會産生更大的相位變化，在幾百到幾千弧度之間。團隊對頻率校準鍊路進行了類似測試，即在TF-QKD系統上用一根單獨的光纖來鎖定Alice和Bob雷射器的頻率，并使用這一鍊路來精确定位振動源的位置，精度為1公裡。
“未來基于這項新技術的QKD網絡，可以從已有光纖中提供有用的地震相關資訊。”英國國家實體實驗室(NPL)量子專家Giuseppe Marra說道。
通過QKD網絡的振動測試結果，圖檔來自論文
前述成果表明，TF-QKD網絡架構不僅能實作超長距離分發安全密鑰，同時也能應用于超長距離振動傳感，實作廣域量子通信網和光纖傳感網的融合，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。