原標題：中國科大量子通信領域重要進展：首次在自由空間信道實現測量設備無關量子密鑰分發實驗

中國科學技術大學在量子通信領域取得了重要進展，首次在自由空間信道實現了測量設備無關量子密鑰分發（MDI-QKD）實驗。以下是對這一進展的詳細歸納與分析：

一、實驗背景與意義

• 背景：量子密鑰分發（QKD）是一種利用量子力學原理保證通信安全的技術。MDI-QKD協議作為QKD的一種，利用雙光子干涉技術消除了探測端的所有安全漏洞，無需對測量端的量子設備進行任何安全性假設，被認為是各種量子密鑰分發協議中的最佳候選協議之一。然而，MDI-QKD在自由空間信道中的實現一直面臨大氣湍流等挑戰。

• 意義：此次實驗不僅實現了MDI-QKD從光纖信道到自由空間信道的突破，還開啟了在自由空間信道中實現基于遠距離量子干涉的更復雜的量子信息處理任務的可能。這對于構建覆蓋全球的量子通信網絡具有重要意義。

二、實驗團隊與成果

• 實驗團隊：中國科學技術大學的潘建偉教授及其同事彭承志、張強等，與清華大學王向斌教授、中科院上海微系統所尤立星等人合作完成了此次實驗。

• 成果：相關成果于2020年12月23日以編輯推薦的形式在線發表在《物理評論快報》上。實驗在上海城市大氣信道中實現了兩個信道長度分別為7.7km和11.5km的MDI-QKD，通信雙方Alice和Bob間距離為19.2km，該距離遠遠超過了地球大氣的等效厚度。

三、實驗技術難點與解決方案

• 技術難點：

1. 自由空間信道的大氣湍流破壞了空間模式，導致干涉測量前的耦合效率低下。

2. 光強的快速漲落使得光纖MDI-QKD系統中的時鐘傳遞、光頻比對方法難以直接應用于自由空間信道中。

• 解決方案：

1. 開發了一種基于隨機梯度下降算法的具有抵抗強湍流能力的自適應光學系統，使雙鏈路總信道效率提升約4~10倍。

2. 在三個實驗點分別使用了超穩晶振作為獨立時鐘源，并通過測量脈沖到達時間實時反饋，得到32ps的獨立時鐘同步精度。在兩個編碼端分別使用HCN分子吸收池校準光頻，使得干涉光的頻率差小于10MHz，從而實現了遠距離獨立激光器之間的鎖頻。

四、實驗影響與展望

• 影響：此次實驗的成功不僅驗證了MDI-QKD在自由空間信道中的可行性，還為基于衛星的MDI-QKD邁出了堅實一步。同時，該實驗發展的相關技術為在自由空間進行量子干涉的相關量子實驗開辟了道路，如量子中繼器、量子網絡等。

• 展望：未來，隨著量子通信技術的不斷發展，基于衛星平臺和地面光纖網相結合的量子通信網絡將成為構建覆蓋全球量子通信網絡最為可行的手段。此次實驗的成功為這一目標的實現提供了重要支持。

綜上所述，中國科學技術大學在量子通信領域取得的這一重要進展，不僅實現了MDI-QKD從光纖信道到自由空間信道的突破，還為未來的量子通信網絡建設奠定了堅實基礎。