近期我院量子信息团队在远距离参考系无关-量子密钥分发研究方面取得重要进展，研究论文 “Reference-frame-independent quantum key distribution over 250 km of optical fiber” 被Physical Review Applied杂志接收发表。该工作获得国家自然科学基金重点项目、青年基金及广西相对论天体物理重点实验室开放课题等项目资助。

参考系无关量子密钥分发（Reference-frame-independent QKD, RFI-QKD）协议，使Alice和Bob能够在缓慢变化的参考系中共享安全的密钥，而无需实时校准，引起了广泛关注。目前，标准诱骗态RFI-QKD的传输距离已被推高至175 km，重复频率为100 MHz。然而，其通信距离和重复频率明显低于更成熟的BB84 QKD，BB84 QKD的重复频率为GHz，距离最高达到421 km。

本研究展示了一个远距离RFI-QKD实验，实验装置如图1所示。该实验成功地在250 km的光纤上以150 MHz的重复率分发了安全密钥，这是目前传输距离最长的RFI-QKD实验。得益于高重复率，我们在200 km的距离上实现了49.65 bit/s的有限密钥率（SKR），比目前最先进的系统高出三倍以上（如图2所示）。实验结果表明，在考虑参考系不对准和有限长效应的情况下，该系统可以保持较低的QBER，并产生可观的SKR。这项工作大大延长了RFI-QKD的传输距离，提高了SKR，进一步促进了RFI-QKD的实际应用，对于促进移动平台上长距离和高密钥速率的安全通信具有重要意义。

图1 实验装置图。LD：波长为1550.05 nm的激光二极管；filter：10 GHz带宽滤波器；VOA：可变光衰减器；PBS：偏振分束器；BS：保偏分束器；PM：相位调制器；蓝色虚线框为基于Sagnac环的强度调制器（Sagnac-IM）；红点框为非对称Mach-Zehnder干涉仪（AMZI）；fiber channel：标准商用光纤线轴；PC：偏振控制器；SNSPD：超导纳米线单光子探测器；AWG：任意波形发生器；TDC：时间-数字转换器；蓝色实线：单模光纤；红色实线：保偏光纤。

图2 不同工作的安全密钥率对比图。蓝色曲线表示基于实验参数的理论仿真结果。红色五角星表示不同距离下我们实验的结果。绿色三角形表示[Phys. Rev. Appl. 12, 034039 (2019)]中的实验结果。黄色三角形表示[Sci. Rep. 4, 3617 (2014)]中的实验结果。蓝色三角形表示[npj Quantum Inf. 8, 117 (2022)]中的实验结果。紫色三角形表示[Opt. Express 32, 22460 (2024)]中的实验结果。

论文作者：刘馨（博士生）、罗迪（硕士生）、罗志程（硕士生）、李世卓（硕士生）、张振荣（教授）、韦克金*（通信作者）

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.22.064018