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中国科学家实现658公里光纤振动传感,定位精度达1公里

2022-05-07 11:19 中国科学报
关键词:传感

导读:科学家实现658公里 量子密钥分发和光纤振动传感

中国科学技术大学潘建伟院士团队与济南量子技术研究院团队王向斌、刘洋等合作,研制出一套融合量子密钥分发和光纤振动传感的实验系统,在完成光纤双场量子密钥分发的同时,实现658公里远距离光纤传感,定位精度达到1公里,大幅突破传统光纤振动传感距离难以超过100公里的限制。研究成果日前以编辑推荐的形式发表在《物理评论快报》上。这一研究成果表明,TF-QKD网络架构不仅能够实现超长距离分发安全密钥,同时也能应用于超长距离振动传感,从而实现广域量子通信网和光纤传感网的融合。


光纤振动传感通过利用光纤中光信号时间、相位、振幅等信息监测链路中的振动信息,具有灵敏度高、响应快、结构简单、分布均匀等优点。目前,主流光纤振动传感方案采用的是分布式声波传感技术,可以精确测量光纤每个位置产生的振动信息,但传感距离很难超过100公里。


量子密钥分发基于量子力学基本原理,结合“一次一密”加密方式可以实现无条件安全的保密通信。双场量子密钥分发协议不仅可以实现非常高的现实安全性,更提供了超越一般量子密钥分发协议工作距离的可能性,被认为是实现超远距离光纤量子密钥分发的最优方案。


然而,双场量子密钥分发技术要求苛刻,需要两个远程独立激光器的单光子干涉,聚赢彩票:光源频率微小的偏差、光纤链路的任何波动,都会积累相位噪声从而降低单光子干涉的质量。因此,在双场量子密钥分发实验中,需要检测光纤振动等引起的相位快速变化,并进行补偿。


一般来说,这些相位变化的信息在实验结束后会被“丢弃”。但事实上,这些“冗余”信息来源于光纤振动引起的相位变化。通过分析这些信息,可以获得光纤链路振动信号。根据通信双方测量结果的时间相关性,可对振动信号进行定位,实现超远距离光纤振动传感。

潘建伟、张强研究团队基于王向斌提出的“发或不发”双场量子密钥分发协议,利用时频传输等关键技术精确控制两台独立激光器的频率。他们与中国科学技术大学陈旸、赵东锋合作,利用附加相位参考光估算光纤的相对相位快速漂移,恢复了加载在光纤信道上的人工可控振源产生的外部扰动。结合中国科学院上海微系统与信息技术研究所尤立星团队研制的高计数率、低噪声单光子探测器,最终实现658公里的极远距离光纤双场量子密钥分发,并在该系统中成功进行了光纤传感测试。



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