QKD使得无条件安全的保密通信成为可能。然而，实际QKD系统受信道损耗的制约，其密钥生成率随着信道长度的增加而显著降低。量子密码理论学家们证明，密钥生成率随着信道传输效率的下降线性减小。2018年英国科学家提出了孪生场（TF）QKD协议，基于该协议利用单光子响应就可以产生密钥，其密钥生成率随着信道效率平方根下降而减小，在长距离信道情况下其密钥生成率有显著优势。但由于其编码模式必须进行相位随机化和后选择，显著降低了系统密钥率，增加了实现的复杂程度。
经过深入研究，郭光灿院士团队提出了一种新型TF-QKD协议，并给出了完备的安全性证明。新协议的编码模式不需要进行相位随机化和后选择，在显著提升协议效率的同时还降低了实现的复杂度，并且可以在更短的信道距离下突破线性界，密钥生成率得以显著提高。科研人员首先在基于光学锁相环和反馈控制方案上取得突破，实现了两台独立激光器之间的稳定一阶干涉，解决了相干光场制备的技术难题。接着，他们又设计并实现了远程光纤信道快速相位补偿控制技术，得到了臂长150公里的一阶光学干涉。最终，研究组在300公里光纤信道上实现了TF-QKD原理验证系统，其密钥生成率达到了2kbps，突破了线性界。这一密钥率约为线性界的3倍。
该成果验证了在无中继条件下，远距离、跨城际高密钥率传输和组网的可行性，在量子中继短期难以实用的情况下，可望在大范围、远距离量子保密通信网络应用方面取得突破。