中国科学技术大学郭光灿院士团队在远程光纤量子密钥分发方面取得重要进展。该团队的银振强、王双和韩正甫等人首先在理论上提出了免相位后选择的双场量子密钥分发协议（Physical Review Applied, 11,034053 (2019)），有效降低双场类协议的执行复杂度。基于这一协议，郭光灿团队突破了异地孪生光场制备和长距离信道相位补偿两项核心技术，在300km常规光纤信道中，完成了超越线性界限制的高密钥生成率实验系统，为无中继长距离城际量子密钥分发网络迈出了关键的一步。该工作发表在Physical Review X,9, 021046(2019)上。

量子密钥分发（QKD）技术基于量子力学基本原理，为异地通信双方协商出信息论安全的密钥，从而使得无条件安全的保密通信成为可能，受到了学术界和产业界的广泛关注。然而，实际QKD系统受信道损耗的制约，其密钥生成率随着信道长度的增加而显著降低。量子密码理论学家们证明，任何无中继的QKD协议其密钥生成率都不能突破线性界，即密钥生成率随着信道传输效率的下降而线性减小。英国东芝剑桥研究所的科学家提出了双场(Twin-Field)QKD协议(Nature, 557,400(2018))，该协议基于相干态直接干涉，利用单光子响应就可以产生密钥，其密钥生成率随着信道效率平方根下降而减小，在长距离信道情况下其密钥生成率有显著优势，且其安全性是测量设备无关的。

上述协议的编码模式必须进行相位随机化和后选择，这两项要求显著降低了协议执行的效率，增加了实现的复杂度。郭光灿团队经过深入研究，提出了一种新型双场QKD协议，并给出了完备的安全性证明。新协议的编码模式不需要进行相位随机化和后选择，在显著提升了协议效率的同时还降低协议执行的复杂度。

图1 双场量子密钥分发实验系统

基于该协议，王双、何德勇和韩正甫等人首先在基于光学锁相环和负反馈控制方案上取得突破，实现了两台独立激光器之间的稳定完美一阶干涉，干涉可见度与同一激光器自身干涉可见度基本一样，解决了双场QKD协议要求孪生光场远程制备的技术难题。接着，针对长距离光纤信道由于光程（折射率和几何长度）变化导致光场相位快速变化的实际情况，研究团队设计并实现了远程光纤信道快速相位补偿控制技术，在毫秒时间即可实现波长级的快速相位补偿，并且需要的发送端光强在单光子量级，在单臂长度150km的等臂干涉仪中得到干涉可见度接近97%的长期稳定干涉。

图2 实验系统的安全密钥率

基于上述两大技术突破，郭光灿团队在国际上首次实现了基于光纤信道的双场量子密钥分发系统，该系统在300km常规光纤信道中安全密钥生成率达到2.01kbps，突破了线性界的限制，并将之前测量设备无关系统的安全密钥生成率提高了五个数量级。

该工作验证了在无中继条件下，远距离、跨城际高密钥率传输和组网的可行性，在量子中继短期难以实用的情况下，双场量子密钥分发协议可望在大范围、远距离量子保密通信网络应用方面取得突破。

该实验工作的共同第一作者是王双教授和何德勇工程师，通信作者为银振强教授和陈巍研究员。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和安徽省的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevX.9.021046