继首次实验验证了远距离双场量子密钥分发可行性，在300公里真实环境的光纤中实现了双场量子密钥分发实验后，我院王向斌教授、刘洋研究员与中国科学技术大学潘建伟院士团队再次合作，实现了509公里真实环境光纤的双场量子密钥分发（TF-QKD）。相关研究成果于2月20日（北京时间）在线发表在国际权威学术期刊《物理评论快报》上（Phys. Rev. Lett. 124, 070501 (2020)），王向斌教授和张强教授为论文共同通讯作者。该成果成功创造了量子密钥分发最远传输距离新的世界纪录，推动新一代远距离城际量子密钥分发迈上了新的台阶。

在量子密钥分发（QKD）的长距离实际应用中，信道损耗是最严重的限制因素。现有的基于诱骗态BB84方案的QKD以及测量设备无关量子密钥分发（MDI-QKD）采用双光子复合事件作为有效探测事件，使其安全成码率随信道衰减线性下降，在无量子中继的情形下，安全成码率受线性界限的约束，而TF-QKD利用单光子干涉作为有效探测事件，使安全成码率随信道衰减的平方根线性下降，甚至可以在无中继的情形下轻松突破QKD成码率线性界限。然而，TF-QKD的实施条件相当苛刻，要求两个远程独立激光器的单光子级干涉，同时需要通过单光子探测结果实现长距离光纤链路相对相位快速漂移的精准估计。

该研究成果理论方面基于研究院王向斌教授提出的“发送-不发送”的双场量子密钥分发协议，大幅提高了系统对相位噪声的容忍能力；实验方面张强教授团队采用了时频传输技术，将两个独立的远程激光器的波长锁定为相同，并利用附加相位参考光来估计光纤的相对相位快速漂移，确保了测量器件无关的安全属性。最终在实验室内将QKD安全成码距离成功拓展至509公里，打破了传统无中继QKD所限定的绝对理论成码率极限，即超过了理想的探测装置（探测器效率为100%）下的无中继QKD成码极限。同时，与其他双场QKD实验相比，该研究在安全性上拥有独特优势：既是测量设备无关的，又充分考虑了有限码长下的安全性。如果将系统重复频率升级至京沪干线等远距离量子通信网络中采用的1GHz，在300公里处，成码率可达5kbps，这将大量减少骨干光纤量子通信网络中的可信中继数量，大幅提升光纤量子保密通信网络的安全性。

该工作被《物理评论快报》审稿人评论为“在双场量子密钥分发实验的安全密钥率及有限码长分析方面取得了显著的提升”，被《物理评论快报》选为“编辑推荐”论文。

该工作得到了山东省泰山学者工程、山东省重点研发计划项目、济南高新区管委会的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.07050