中国科大在远程量子密钥分发方面取得重要进展

中国科大郭光灿院士团队在远程量子密钥分发方面取得重要进展。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)。

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。

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。

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我校本科生崔超涵，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。

附文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.11.034053

https://doi.org/10.1103/PhysRevX.9.021046