远距离量子秘钥分发的实验研究

Quantum key distribution (QKD) technology is a unconditional security technology to distribute secure keys between legal communicator. Limited by lacking of quantum repeater technology, the longest distance of point to point QKD is that of information technology security distance. The record of QKD distance is broken for times recently, however, the former experiments utilized nanowires super conducting single photon detector which needs cryogenic devices. The nanowires super conducting single photon detector is not suitable for commercial usage for it's high cost and complex technology. The project aims to develop the technology of high-efficiency and low-noise up-conversion single photon detector, to perform QKD experiment of long distance in lab with room-temperature single photon detectors, and to pave the way for long distance QKD system in practice.

量子密钥分发技术是在合法的通信者之间进行无条件安全量子通信的关键技术。由于目前实验上还无法实现有效的量子中继，点对点的量子密钥分发最远距离即为可无条件安全分发量子密钥的最远距离。近几年远距离量子密钥分发的成码距离的纪录不断被打破，但目前远距离量子秘钥分发实验需要使用低温设备的超导纳米线单光子探测器。由于在低温环境下进行实验经济成本相对较高且技术复杂，因此，基于超导纳米线探测器的方案目前不适合实用化生产。本项目计划发展低噪声、高探测效率、上转换单光子探测技术，在实验室进行使用室温探测器探测的远距离量子密钥分发实验，为远距离量子密钥分发技术的实用化发展提供理论依据和实验指导。

上转换单光子探测器在未来量子通信任务中有着重要的应用。量子密钥分发是量子通信的关键技术，发展低噪声、高效率的上转换探测器不仅决定了点对点的量子密钥分发（QKD）的最远距离，而且是单光子光谱压缩和频率转换的重要器件。相比于低温设备的超导单光子探测器，室温的上转换单光子探测器的应用广、生产成本低等特点就更加有优势。在本研究课题中，我们利用基于周期极化铌酸锂（PPLN）波导芯片非线性效应上转换过程，将1550nm的单光子和1950nm的经典光同时耦合到PPLN波导芯片中，实现了低噪声、高效率的上转换单光子探测器，该上转换单光子探测器可以实现250公里以上的QKD。除实现项目的预期目标外，还取得了如下成果：.1）基于上转换单光子探测器实现了单光子水平弱相干光的光谱压缩和频率转换。在我们的实验中，我们证明了单光子水平的激光脉冲的带宽在PPLN波导芯片中被压缩了58倍，并且同时实现了该脉冲的频率转换。我们的结果显示，使用啁啾技术不仅可以克服色散补偿问题，而且将光谱中的所有光子进行了上转换。该技术提高了远距离QKD的成码率，使得传输的距离会更远。.2）基于上转换单光子探测器实验上证明两个啁啾的宽带单光子水平弱相干光的非线性作用。在我们的实验中，一个更高的和频（SFG）转换效率被得到，该效率可以实现远距离的设备不相关的QKD。.3）基于上转换单光子探测设备实现了通信单光子的频率转换。我们的频率转换接口可以完成任意国际电信联盟(ITU) 通道之间的转换，这是实现量子网络中各用户进行点对点QKD的重要基础。.4）为了将我们的远距离QKD系统应用到未来的量子光纤网络，我们对基于多粒子纠缠态为量子信道的量子通信方案进行了理论的预研。.5）项目实施期间，项目成员在Photonics Research，Scientific Reports, International Journal of Theoretical Physics，IEEE Photonics Technology Letters等期刊发表论文15篇，参加国内会议3次，培养研究生5名。