近日，北京量子信息科学研究院（以下简称“北京量子院”）光量子通信与器件团队与北京大学合作，提出并实验验证“单光子配对”新型光谱测量方案，在400公里分布式光纤链路上实现了单光子级的光频梳光谱重建，为长距离、高灵敏度分布式光纤传感提供了新的技术路径。2026年10月31日，相关研究成果以《基于光子配对增强的400公里光纤分布式光谱传感》（Photon-pairing-enhanced distributed spectroscopy sensing over 400 km optical fiber）为题，发表于国际学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）。

  光谱分析是物质检测、环境监测、天文观测等领域的重要技术手段。双光梳光谱技术利用两台光频梳干涉，将宽带光谱信息映射到射频域，实现高分辨、快速光谱测量。然而，在百公里级远程及分布式传感场景中，光纤传输损耗导致接收端信号极其微弱，因此对探测灵敏度提出了严峻挑战。单光子探测技术能够探测极其微弱的光信号，在特定测量条件下，其探测功率可比传统光电探测技术低近10个数量级，为超高灵敏度光谱测量提供了新的可能。现有光子计数双光梳光谱技术主要依赖一阶干涉信号的相干累积重建光谱，但在长距离分布式系统中，光纤链路的随机相位扰动以及异地独立光源的相位噪声会严重破坏干涉信号的长期相干性，导致重建光谱的信噪比下降，成为制约长距离分布式光谱测量的关键技术瓶颈。

  研究团队创新性地提出基于光子探测事件二阶关联的“光子配对”光谱测量方案。该方法通过对预设时间窗口内的单光子探测事件进行配对，统计光子事件的时间间隔，构建二阶干涉图，并通过傅里叶变换重建光谱。与传统方法相比，该方案具有两方面优势：一是通过光子事件的重复配对，提高探测数据的利用效率，使重建光谱的信噪比随光子计数率线性提升；二是二阶干涉信号主要取决于光子配对时间间隔内的相位变化，显著降低了对长时间相位稳定性的要求，从而提高光谱测量对相位扰动的鲁棒性。

图1 基于单光子配对的分布式光梳光谱测量原理及应用示意图（北京量子院供图）

  研究团队在单频信号、多梳齿光谱及长距离分布式光纤测量三种典型场景中，对该方法进行了系统的实验验证。利用超导单光子探测器，团队在约1MHz的光子计数率下，成功重建了包含30余根梳齿的光频梳光谱，测量结果与传统射频频谱和光学频谱测量结果高度吻合。接下来，团队构建了由两段200公里光纤组成的400公里分布式实验链路，在平均每根梳齿接收光功率仅为5.5×10^-15W的极弱信号条件下，仍实现了23.5dB信噪比的高质量光谱重建，验证了该方法在长距离、高损耗及复杂相位扰动条件下的优异性能。相关成果为构建长距离、多节点分布式光纤传感网络提供了新的技术思路，并有望在远程光谱探测、精密频率计量及量子网络等领域发挥重要作用。

图2 400公里分布式光纤单光子级光谱测量实验结果（北京量子院供图）

  该论文的第一作者为北京量子院高级工程师/北京邮电大学博士生林锦平、北京量子院副研究员周来，通讯作者为北京量子院副研究员周来。论文合作者还包括北京量子院实习生/北京大学博士生庄敏学，北京量子院博士生识文达、史振轲，北京大学研究员常林，以及北京量子院首席科学家袁之良。该工作得到国家科技重大专项、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持。