中国科大首次实现14.2公里自由空间双场量子密钥分发！ 赋同量子SNSPD核心助力实验

引言

近日，中国科学技术大学潘建伟院士团队联合多家科研机构，在自由空间双场量子密钥分发（TF-QKD）领域取得里程碑进展。团队首次实验实现14.2公里城市大气信道自由空间TF-QKD，通信距离突破大气等效厚度临界值，安全密钥率超越无中继通信容量PLOB界限，为星基全球量子网络构建奠定关键实验基础。

该项研究工作中，赋同量子超导纳米线单光子探测器作为核心光子探测设备，凭借过硬的技术实力，助力本次研究实现重大突破。相关研究成果以《Free-Space Twin-Field Quantum Key Distribution》为题，已发布于Nature Photonics平台，引发全球量子通信领域关注。

 

研究概述

量子密钥分发依托量子力学原理实现信息论安全的保密通信，双场量子密钥分发（TF-QKD）可将安全密钥率从信道损耗的线性依赖提升至平方根依赖，同时保留测量设备无关安全特性，是构建全球量子网络的核心协议。

近年来光纤信道TF-QKD已实现百公里级远距离传输，但自由空间场景受大气湍流引发的相位畸变、光强闪烁等问题制约，长期难以落地实现。《自然》等期刊研究指出，大气信道的相位噪声与光子偏振不可控性，是自由空间TF-QKD实用化的核心技术瓶颈，亟需突破激光器稳频、相位同步与高精度单光子探测等关键技术。

此次研究聚焦大气湍流干扰难题，搭建远距离自由空间量子通信实验链路，攻克独立激光器相位锁定、开放式信道时相控制等技术，无需辅助信道即可稳定闭合干涉仪，成功验证自由空间TF-QKD方案的可行性与实用性。

 

研究内容

研究团队在上海城市大气环境中，搭建总长14.2公里的双路自由空间信道，Alice与Bob端分别通过7.1公里大气链路与接收端Charlie建立通信连接。

图 1 自由空间 TF-QKD 实验装置图

实验采用超稳激光器（USL）作为光子源，搭配铷原子钟实现高精度时间基准；通过声光调制器补偿激光器频率漂移，利用单光子探测事件统计量完成频率与相位反馈校准，规避大气湍流对信道稳定性的干扰。

图 2 激光频谱、相位漂移、信道效率变化图

同时采用四强度诱骗态发送-不发送协议，优化量子态编码与调制策略，保障复杂信道下量子比特误码率可控。

实验累计有效工作时长49359秒，发送约3.15×10¹²个量子光脉冲。经数据后筛选优化后，安全密钥率达100.8 bps，整体性能突破同信道损耗下的PLOB理论界限。

图 3 实验密钥率结果曲线图

该通信距离等效大气有效厚度，技术方案可直接适配星地量子通信场景，同时为量子隐形传态、量子中继、分布式量子计算等大规模量子信息任务提供新路径。

赋同量子SNSPD核心支撑作用

在本次自由空间TF-QKD突破性实验中，赋同量子提供的超导纳米线单光子探测器（SNSPD） 作为核心探测设备，全程承担单光子信号捕获、干涉信号检测与光子到达时间记录关键任务，是实验成功的核心硬件支撑。

赋同量子SNSPD实测探测效率约80%，暗计数低于20 cps，具备高探测效率、超低暗计数、低时序抖动核心特性，完美适配自由空间信道光子信号微弱、背景噪声复杂的工况。在实验干涉测量环节，四路SNSPD精准捕获光纤分束器输出的单光子干涉信号，高效甄别有效光子事件，为相位估算、量子比特误码率统计提供精准原始数据。

同时，SNSPD稳定的探测性能支撑了大气信道效率实时监测，助力团队筛选湍流扰动较弱的有效数据时段，剔除信道效率失配导致的低干涉可见度数据，显著提升安全密钥生成质量与成码率。其低温超导工作模式下的长期稳定性，保障了近5万秒长时间连续实验的可靠运行，为自由空间TF-QKD长时稳态测试提供坚实保障。

作为国产化高端单光子探测核心装备，赋同量子SNSPD凭借自主可控核心技术，满足了大气湍流环境下高精度单光子探测严苛需求，验证了国产SNSPD在星地量子通信、远距离自由空间量子密钥分发等前沿场景的应用价值。

 

结论

本次14.2公里自由空间TF-QKD实验，首次攻克大气湍流制约难题，实现安全密钥率超越无中继容量界限，标志着我国在星基量子网络关键技术上迈出重要一步。实验搭建的百公里级等效大气单光子干涉系统，还可应用于大地测量、引力红移测量等基础物理研究领域。

后续团队将重点攻克卫星高速运动引发的多普勒频移、星载单光子探测等技术难题，推动自由空间TF-QKD向星地一体化量子网络规模化应用迈进。赋同量子也将持续深耕超导单光子探测技术，为量子通信、量子光学等前沿科研领域提供自主可控的核心探测装备支撑。

 

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