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中國科學家實現658公里光纖振動傳感,定位精度達1公里

2022-05-07 11:19 中國科學報
關鍵詞:傳感

導讀:科學家實現658公里 量子密鑰分發和光纖振動傳感

中國科學技術大學潘建偉院士團隊與濟南量子技術研究院團隊王向斌、劉洋等合作,研制出一套融合量子密鑰分發和光纖振動傳感的實驗系統,在完成光纖雙場量子密鑰分發的同時,實現658公里遠距離光纖傳感,定位精度達到1公里,大幅突破傳統光纖振動傳感距離難以超過100公里的限制。研究成果日前以編輯推薦的形式發表在《物理評論快報》上。這一研究成果表明,TF-QKD網絡架構不僅能夠實現超長距離分發安全密鑰,同時也能應用于超長距離振動傳感,從而實現廣域量子通信網和光纖傳感網的融合。


光纖振動傳感通過利用光纖中光信號時間、相位、振幅等信息監測鏈路中的振動信息,具有靈敏度高、響應快、結構簡單、分布均勻等優點。目前,主流光纖振動傳感方案采用的是分布式聲波傳感技術,可以精確測量光纖每個位置產生的振動信息,但傳感距離很難超過100公里。


量子密鑰分發基于量子力學基本原理,結合“一次一密”加密方式可以實現無條件安全的保密通信。雙場量子密鑰分發協議不僅可以實現非常高的現實安全性,更提供了超越一般量子密鑰分發協議工作距離的可能性,被認為是實現超遠距離光纖量子密鑰分發的最優方案。


然而,雙場量子密鑰分發技術要求苛刻,需要兩個遠程獨立激光器的單光子干涉,光源頻率微小的偏差、光纖鏈路的任何波動,都會積累相位噪聲從而降低單光子干涉的質量。因此,在雙場量子密鑰分發實驗中,需要檢測光纖振動等引起的相位快速變化,并進行補償。


一般來說,這些相位變化的信息在實驗結束后會被“丟棄”。但事實上,這些“冗余”信息來源于光纖振動引起的相位變化。通過分析這些信息,可以獲得光纖鏈路振動信號。根據通信雙方測量結果的時間相關性,可對振動信號進行定位,實現超遠距離光纖振動傳感。

潘建偉、張強研究團隊基于王向斌提出的“發或不發”雙場量子密鑰分發協議,利用時頻傳輸等關鍵技術精確控制兩臺獨立激光器的頻率。他們與中國科學技術大學陳旸、趙東鋒合作,利用附加相位參考光估算光纖的相對相位快速漂移,恢復了加載在光纖信道上的人工可控振源產生的外部擾動。結合中國科學院上海微系統與信息技術研究所尤立星團隊研制的高計數率、低噪聲單光子探測器,最終實現658公里的極遠距離光纖雙場量子密鑰分發,并在該系統中成功進行了光纖傳感測試。


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