中国科学技术大学郭光灿团队提出新型远程量子密钥分发协议

近日，中国科学技术大学郭光灿院士团队在远程量子密钥分发方面取得重要进展，该工作的理论成果发表在应用物理权威期刊Physical Review Applied 11,034053 (2019)，实验成果发表在最新一期的物理学权威期刊Physical Review X 9, 021046 (2019)，第一作者为中科大本科生崔超涵。

该团队成员陈巍、银振强、王双、韩正甫等首先在理论上提出了免相位后选择的孪生场量子密钥分发(QKD)协议，该协议显著降低了孪生场类协议的实现难度。基于这一协议，该研究组突破了孪生光场制备和长距离光纤信道相位补偿两项技术，在300公里光纤上，首次完成了不受无中继QKD协议密钥生成率上界（线性界）限制的高密钥生成率实验，为无中继长距离城际量子密钥分配网络迈出了关键的一步。

该校郭光灿院士团队首先在理论上提出了免相位后选择的孪生场量子密钥分发（QKD）协议，为无中继长距离城际量子密钥分配网络建设迈出了关键的一步。该工作的理论和实验成果日前分别发表在权威期刊《物理应用评论》和《物理评论X》上。

量子密钥分发（quantum key distribution，简称QKD），就是利用量子力学特性来保证通信安全性。此种方法能使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，来加密和解密消息。

量子秘钥确保通信安全

QKD利用量子力学原理，为异地通信双方协商出信息论安全的密钥，从而使得无条件安全的保密通信成为可能，受到了学术界和产业界的广泛关注。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，任何无中继的QKD协议其密钥生成率都不能突破线性界(Nat. Commun. 8, 15043, 2017)，即密钥生成率随着信道传输效率的下降线性减小。2018年5月，英国东芝剑桥研究所的科学家提出了孪生场(TF) QKD协议(Nature 557, 400, 2018)，该协议基于相干态直接干涉，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，且其安全性是测量设备无关的。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。

量子计算编码内核

上述协议的编码模式必须进行相位随机化和后选择，这两项要求显著降低了系统密钥率，增加了实现的复杂度。韩正甫研究组经过深入研究，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，在显著提升了协议效率的同时还降低实现的复杂度，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。研究组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，研究组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。

光纤通信数据流

该工作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，TF-QKD协议可望在大范围、远距离量子保密通信网络应用方面取得突破。该协议理论文章的第一作者为中科大本科生崔超涵，通信作者为银振强教授和王双教授；实验论文的共同第一作者是王双教授和何德勇实验师，通信作者为银振强教授和陈巍副教授。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和安徽省的资助。

文章来源：学术前沿