Hong-Ou-Mande干涉对于各种量子通信协议都是必不可少的，包括量子隐形传态，纠缠交换和测量设备无关（MDI）量子密钥分发（QKD）。一个重大的挑战是产生在长距离上保持不可区分的单光子。在远程节点之间的同步中引入的时间抖动减少了时间重叠，使光子不再难以区分，为了减轻这种影响，以前的解决方案被迫增加时间重叠，通常通过使用窄带滤波策略来延长光子相干时间，然而，这大大降低了光子速率，导致其实际应用不切实际。
5月8日，郭光灿院士、韩正甫教授团队在《npj量子信息》发表题为“Experimental demonstration of long distance quantum communication with independent heralded single photon sources”（具有独立预示的单光子源的长距离量子通信实验演示）的研究论文，Xiao-Hai Zhan为论文第一作者，王双教授为论文通讯作者。
该研究采用普通的激光脉冲产生内在同步的单光子，无需延长相干时间。在不影响光子不可逆性的情况下，团队在50公里的光纤传输中实现了四倍的符合计数率，比以前的方法高出两个数量级。
研究背景
量子信息技术由于其革命性的信息处理和安全通信的潜力而引起了人们的极大关注。高质量的不可分辨单光子源对于各种量子通信应用至关重要，例如量子隐形传态和纠缠交换。自发参量下转换（SPDC）已经成为产生这种单光子的主要候选者，因为它们的工业成熟度，高光子质量和与室温操作的兼容性。
然而，在长距离上保持单光子从SPDC源的不可分辨性构成了一个重大挑战。主要的困难在于实现时间的不可分辨性，在长的通信信道的光谱不可区分的光子，高光谱纯度对于光谱不变性是必要的，所以需要匹配的泵浦脉冲特性和相位匹配条件，结果常常导致皮秒到飞秒范围内的单光子脉冲持续时间。然而，两个远程同步时钟之间的时间抖动通常在皮秒的数量级，导致单光子的时间不稳定性差。
为解决这一问题，大家做出了大量努力。当然，第一个想法是减少两个同步脉冲激光器之间的时间抖动。早期的工作设法将时间抖动减少到飞秒范围，然而，这些方法需要精密的光学设计或笨重的电子设备。此外，由于电-光-电转换模块，远程同步引入了额外的时间抖动，通常在皮秒量级，使其对于现实世界的应用不切实际。
另一种方法涉及使用CW泵浦源结合时间分辨检测来后选择时间上不可区分的光子。其基本思想是忽略同步和传输过程中的时间抖动，而是对同时到达探测模块的信号光子进行后选择。假设泵是CW，则该窄时间窗导致可预测的低符合计数率。为了增加成功符合的概率，需要更大的τw，这就需要更大的τc。因此，该解决方案不仅需要低时间抖动检测模块，而且需要窄带滤波策略。
图：解决方案原理的说明
为了解决上述问题，D'Auria，V.等人提出了一种实用而简单的解决方案。如上图所示，该方法涉及将公共种子脉冲激光器放置在中心位置，例如量子处理节点，并将信号传输到所有用户以用于随后的光子对生成。这种设置确保光子本质上是同步的，从而实现时间上的不可重复性。然而，他们的工作仅证明了局部HOM干扰测试，限制了实际适用性。
单光子源的原理与同步策略
本文的核心在于解决单光子源在长距离量子通信中的不可区分性问题。研究者采用自发参量下转换（SPDC）过程来产生单光子对，这是一种成熟的单光子源技术，具有高光子质量和与室温操作的兼容性。在SPDC过程中，一个泵浦光子在非线性晶体中分裂成两个光子，即信号光子和闲置光子。为了实现光子的光谱不可区分性，需要精确设计泵浦脉冲的光谱特性和晶体的相位匹配条件。研究者设计的信号光子光谱宽度为100GHz，以兼容标准的密集波分复用（DWDM）网络，通过精确控制泵浦光谱的半高全宽（FWHM），能够实现信号光子的高纯度和高不可区分性。
图：实验装置插图
然而，时间抖动是影响光子不可区分性的另一个关键因素。在两个远程节点之间，即使光子在光谱上不可区分，由于同步时引入的时间抖动，光子在时间上会变得可区分。这种时间抖动主要来源于两个方面：一是两个独立激光器之间的同步抖动；二是光纤传输中的色散和环境因素导致的光程差变化。
为了克服这一问题，研究者采用了共同激光脉冲同步策略。具体来说，在量子网络的中心节点放置一个种子脉冲激光器，将种子脉冲分成两路，分别发送给Alice和Bob，这样产生的单光子在时间上是本质同步的，从而消除了时间抖动对光子不可区分性的影响。
实现高不可区分性单光子源
研究者精心设计了整个实验装置，以确保单光子源的高性能。首先，使用一个被动锁模光纤激光器作为种子激光器，产生近傅里叶变换极限的脉冲序列。这些种子脉冲通过光纤分束器分成两路，分别发送给Alice和Bob，为了避免在光纤传输中出现非线性效应，将种子脉冲的平均功率降低到10微瓦以下。
在Alice和Bob端，使用两级掺铒光纤放大器（EDFA）模块对种子脉冲进行放大，并通过100 GHz的DWDM滤波器进行光谱净化。然后，将1550纳米的脉冲通过周期性极化的铌酸锂（PPLN）晶体进行倍频，得到775纳米的泵浦光。为了确保泵浦光的光谱纯净度和空间模式，使用了空间光栅和单模光纤进行进一步的滤波和模式净化。
最终，得到了脉冲宽度分别为5.2皮秒和4.5皮秒、光谱FWHM分别为0.19纳米和0.22纳米的泵浦光，其时间带宽积接近傅里叶变换极限的高斯脉冲。
图：总脉冲数为1012和1013的安全密钥速率
在Alice和Bob端，使用30毫米长的II型周期性极化钾钛磷酸盐（PPKTP）晶体进行SPDC过程。通过精确控制晶体的温度，确保了信号光子的光谱与DWDM网络的标准通道一致。信号光子和闲置光子通过空间偏振分束器（PBS）分离，其中闲置光子被本地探测器检测作为触发信号，而信号光子则被送入量子信道。
为了确保信号光子在长距离光纤传输中的不可区分性，在Alice和Bob端分别进行了光纤色散补偿，并使用可调谐的光纤延迟线来精确调整光程差。此外，还通过光纤偏振控制器来补偿光纤传输中引入的偏振变化，确保信号光子在到达Charlie端时具有相同的偏振态。
图：脉冲总数为1012和1013时的安全密钥速率改变实验参数时的安全密钥速率和最大光损耗。
高可见度HOM干涉与MDI-QKD实验
通过上述实验方案，研究者在不同光纤传输距离下成功实现了高可见度的Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉。在0公里、20公里和50公里的光纤通道上，分别测量到了0.845、0.837和0.822的HOM干涉可见度，这些结果与理论预测高度一致，表明单光子源在长距离传输中保持了良好的不可区分性。更重要的是，实现了超过170 cps的四重符合计数率，这一数值比以往的实验结果高出两个数量级以上，为MDI-QKD的实用化提供了有力支持。
图：在三种不同长度的光纤通道上进行了Hong-Ou-Mandel干涉测试
基于该单光子源，研究者进一步进行了测量设备无关量子密钥分发（MDI-QKD）实验。在0公里、20公里和50公里的光纤通道上，分别获得了16.7 bps、2.14 bps和0.0578 bps的安全密钥率。这些结果不仅验证了单光子源在实际量子通信中的有效性，还展示了其在长距离光纤网络中的应用潜力。
图：滤波前后泵浦脉冲的频谱和自相关图
图：不同聚焦条件下的纤维收集效率和相对对收集率
实验结果表明，通过优化实验参数，如提高光子纯度、增加单光子收集效率和提高平均光子数，有望进一步提高安全密钥率和最大传输距离。
主要参与人员
郭光灿，中国科学技术大学教授，中国科学院量子信息重点实验室主任，中国科学院院士，现任中国物理学会常务理事、中国光学学会理事长，长期从事量子光学、量子通信和量子计算的理论和实验研究。在包括Nature子刊（13篇）、Phys. Rev. Lett（31篇）在内的国际学术期刊上发表论文700多篇，他引超过10000次。培养博士80余人，其中5人荣获全国百篇优秀博士论文奖。
韩正甫，中国科学技术大学教授，博士生导师，中国科学技术大学量子信息重点实验室副主任，研究方向为量子器件等、实现方案及其应用、量子密码协议、量子信息理论，实验团队为量子密码与量子器件组。
王双，中国科学技术大学物理学院光学专业教授，博士生导师，主要从事量子通信和量子光学相关研究。以第一或通讯作者在Nature Photonics (2篇)、Nature Communications、PRX、PRL (3篇)、Optica (6篇)等高影响力期刊发表论文90余篇，获授权发明专利30余项。双场量子通信系列成果于2019年和2022年两次入选“中国光学十大进展”，并被新闻联播、新闻直播间等权威媒体报道。
[1]https://www.nature.com/articles/s41534-025-01025-w
[2]http://lqcc.ustc.edu.cn/hr1.html
[3]https://faculty.ustc.edu.cn/Han_zhengfu/zh_CN/index.htm
[4]https://faculty.ustc.edu.cn/wangshuang/zh_CN/index.htm