远距离光纤信号传输

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本报讯(记者韩)近日，济南量子技术研究所与中国科技大学潘建伟院士等合作实现了一个集成量子密钥分发和光纤振动传感的实验系统。同时实现了658km长距离光纤传感，定位精度1km，大大突破了传统光纤振动传感技术距离难以超过100km的限制。
光纤振动传感具有灵敏度高、响应快、结构简单、分布均匀等优点。它在结构健康监测、油气管道泄漏监测、周界防护、地震监测等工程领域有着广泛的应用前景，因此受到了广泛的关注。目前，分布式声波传感技术广泛应用于光纤振动传感，其传感距离被限制在100公里以内。研究人员面临的重要技术挑战是克服距离限制，实现长距离光纤振动传感。
量子密钥分发(Quantum key distribution，QKD)基于量子力学的基本原理，结合“一次一密”的加密方式，可以实现无条件安全的保密通信。在过去的几十年里，QKD一直是学术界的研究热点。2018年提出的TF-QKD协议突破了QKD速率的线性限制，被认为是实现超长距离光纤QKD的最佳方案。但是TF-QKD的技术要求相当严格，需要两个远程独立激光器的单光子干涉。光源频率的微小偏差和光纤链路的任何波动都会积累相位噪声，降低单光子干涉的质量。
在实际应用中，沿着光纤链路的声音和振动等噪声是不可避免的。因此，在TF-QKD实验中，需要实时检测环境噪声引起的光纤相位变化，并对其进行实时或后处理补偿。通常，这些相变信息在QKD实验后会被丢弃。实际上，这些“冗余”信息反映的是光纤中传输光的实时相位变化。通过分析相位变化信息，结合振动的特点，可以获得振动信息并进行定位，从而实现超长距离光纤振动传感。
基于济南量子技术研究院院长王教授提出的“发送”或“不发送”TF-QKD协议，研究人员利用附加相位参考光估计光纤的快速相对相位漂移，恢复加载在光纤信道上的人工可控振动源引起的外界扰动，最终实现658 km的光纤双场量子密钥分发和光纤振动传感，定位人工振动源在链路上的扰动位置，精度优于1 km。以上研究表明，TF-QKD网络架构不仅可以远距离分发安全密钥，还可以应用于远距离振动传感，实现广域量子通信网络与光纤传感网络的融合。