量子密鑰分發(fā)新紀錄 城市間量子通信網(wǎng)更近一步

  ICC訊 近日，知名學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》在線(xiàn)發(fā)表了來(lái)自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中科大）的一項研究成果。中科大郭光燦院士團隊的韓正甫教授及其合作者，近期實(shí)現了833公里光纖量子密鑰分發(fā)，將量子密鑰分發(fā)安全傳輸距離世界紀錄提升了200余公里，向實(shí)現千公里陸基量子保密通信邁出重要一步。

  量子密鑰分發(fā)基于量子物理的基本原理，在信息安全層面上提供了竊聽(tīng)可感知的密鑰分發(fā)手段。光量子是量子信息的天然載體，但線(xiàn)路中不可避免的損耗限制了量子密鑰分發(fā)的安全距離，這也是制約廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò )部署和應用的關(guān)鍵因素之一。因此，如何延長(cháng)光量子密鑰分發(fā)直接傳輸的安全距離，是當前極具挑戰的難點(diǎn)和焦點(diǎn)之一。

  那么，在833公里長(cháng)的光纖上完成量子密鑰分發(fā)，這個(gè)世界紀錄是怎樣創(chuàng )造出來(lái)的？

  信噪比和衰減決定傳輸距離

  “光量子密鑰分發(fā)直接傳輸的安全距離逐步逼近1000公里級，為未來(lái)廣域量子通信網(wǎng)奠定了很好的基礎?！表n正甫向記者解釋?zhuān)瑢?lái)構建的廣域量子通信網(wǎng)，能夠分布在多個(gè)城市，并且擁有城際骨干線(xiàn)路和具有城域子網(wǎng)?！皳碛羞@樣的分層結構的量子通信網(wǎng)絡(luò )，可為較多用戶(hù)提供服務(wù)?！?

  韓正甫告訴記者，影響量子密鑰分發(fā)傳輸距離的首要因素是信噪比。噪聲包括信道擾動(dòng)、探測器暗計數等。原則上只要充分抑制噪聲就可以提升傳輸距離?！暗且膊皇钦f(shuō)噪聲為零，就可以傳輸無(wú)限遠?！表n正甫進(jìn)一步解釋道，這是因為線(xiàn)路除了噪聲還存在衰減，衰減會(huì )使得密鑰生成率降低，密鑰率太低則無(wú)法滿(mǎn)足任何實(shí)際應用需要，即使沒(méi)有噪聲，也失去了應用價(jià)值。因此決定傳輸距離的主要因素是信噪比和衰減。

  “我們團隊一直致力于實(shí)現長(cháng)距離量子密鑰分發(fā)，2012年創(chuàng )造了206公里的紀錄。2018年的時(shí)候我們在雙場(chǎng)協(xié)議的理論和實(shí)驗方面做出了一些關(guān)鍵性突破，實(shí)現了300公里光纖信道的雙場(chǎng)實(shí)驗，這是國際上首個(gè)在光纖信道中突破理論極限的實(shí)驗?！表n正甫說(shuō)，這些工作中，課題組發(fā)展了協(xié)議理論分析的方法，突破了光源相位鎖定、信道相位補償等幾項關(guān)鍵技術(shù)，這為其實(shí)現833公里光纖量子密鑰分發(fā)奠定了基礎。

  “量子通信一直是競爭激烈的國際賽道?！表n正甫告訴記者，目前國際上比較有競爭力的團隊是位于英國的東芝劍橋研究所，他們是雙場(chǎng)協(xié)議原始理論提出者，實(shí)驗上也實(shí)現了600公里的雙場(chǎng)系統。此外，英國利茲大學(xué)、日本東京大學(xué)等在理論方面也有所造詣。

  突破雙場(chǎng)協(xié)議理論

  2018年，英國科學(xué)家提出的雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議突破了原有的理論極限，而且其對理論的完善和對實(shí)驗技術(shù)的開(kāi)拓極具挑戰性。

  “以前的協(xié)議一般是單光子協(xié)議，雖然也需要用到相干態(tài)，但是相干態(tài)是本地制備的，通過(guò)不等臂干涉，相位補償也比較容易?！表n正甫說(shuō)，雙場(chǎng)協(xié)議不同于之前的協(xié)議，該協(xié)議主要基于可干涉的遠程異地制備的相干態(tài)，這就對光源提出了非?？量痰囊?。不僅光源，雙場(chǎng)協(xié)議還要求一對相干態(tài)經(jīng)過(guò)不同的、遠程信道傳輸后還可以實(shí)現接近完美的干涉，這意味著(zhù)信道相位補償也很有挑戰性。

  “總的來(lái)說(shuō)，雙場(chǎng)協(xié)議對實(shí)驗技術(shù)提出了很高的要求。在理論上，這個(gè)協(xié)議的安全性不是基于單光子描述的，因此較為復雜，所以理論上怎么證明安全性，怎么分析各種非完美特性也是必須要解決的問(wèn)題?！表n正甫說(shuō)。

  經(jīng)過(guò)一番認真的研究，韓正甫和他的團隊認為，這個(gè)協(xié)議提出的主要目的是突破“密鑰率—信道損耗”極限。國外也有理論物理學(xué)家證明，原則上任何端到端的協(xié)議都不能突破一個(gè)叫做線(xiàn)性界的極限，因此傳輸距離非常受限?！半p場(chǎng)協(xié)議把測量裝置挪到了信道中間，基于單光子干涉，從而繞開(kāi)了線(xiàn)性界的束縛，開(kāi)辟了新的研究方向，是一個(gè)創(chuàng )新性很強的工作?！表n正甫說(shuō)。

  “但是雙場(chǎng)協(xié)議剛提出時(shí)，其安全性證明并不完善，且實(shí)驗上需要全局相位隨機化，并在傳輸后，由用戶(hù)篩選出相位匹配的情況才能產(chǎn)生密鑰，這些步驟降低了密鑰率，實(shí)驗實(shí)現也比較復雜。因此，在理論和實(shí)驗上，雙場(chǎng)協(xié)議開(kāi)辟了新的方向，但是也意味著(zhù)需要解決很多問(wèn)題?！表n正甫表示，創(chuàng )新有時(shí)必須先從突破固有理論開(kāi)始。

  郭光燦、韓正甫研究組在2019年首先提出了免相位后選擇的雙場(chǎng)類(lèi)協(xié)議，并首次在300公里光纖信道中驗證了此類(lèi)協(xié)議的可行性。

  創(chuàng )立四相位調制雙場(chǎng)協(xié)議新理論

  “2018年，我們團隊首次在理論上證明，雙場(chǎng)協(xié)議的編碼模式，可以不做相位隨機化，也就不用相位后選擇，這樣密鑰率可以顯著(zhù)提高，實(shí)驗也實(shí)現大幅度簡(jiǎn)化?！表n正甫告訴記者，他們的這個(gè)理論創(chuàng )新，當時(shí)令很多同行感到意外。因為之前學(xué)術(shù)界認為，全局隨機化是安全性的必要保障。

  免相位后選擇協(xié)議的簡(jiǎn)潔性和高密鑰率的優(yōu)勢，使得該協(xié)議成為量子通信領(lǐng)域競相討論的熱點(diǎn)之一?！爱斎晃覀円沧⒁獾?，我們的免相位后選擇協(xié)議由于編碼時(shí)完全丟棄了相位隨機化，極限安全距離有些降低。后來(lái)我們想到，或許可以在編碼時(shí)適當增加幾個(gè)相位，這樣可以進(jìn)一步混淆竊聽(tīng)者的信息，從而延長(cháng)安全距離?！表n正甫表示，他們設計出的四相位調制的雙場(chǎng)協(xié)議，結合了免相位后選擇協(xié)議和后選擇協(xié)議的一些特點(diǎn)，在極限情況下有特別的優(yōu)勢。

  經(jīng)過(guò)2年多的探索，郭光燦、韓正甫團隊提出了改進(jìn)的四相位調制雙場(chǎng)協(xié)議，并進(jìn)一步提升了獨立光源的鎖相穩頻技術(shù)、高帶寬信道相位補償技術(shù)、高信噪比的單光子探測信號甄別技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，將光纖雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)的安全傳輸距離延長(cháng)至833公里。

  大膽而嚴謹的理論創(chuàng )新，為中國量子通信在競爭激烈的國際賽道上又一次贏(yíng)得優(yōu)勢。韓正甫團隊的這項成果不僅將光纖量子密鑰分發(fā)距離從500多公里大幅提升至833公里，而且將安全碼率提升了50—1000倍，在實(shí)現千公里量級陸基廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò )的道路上邁出重要一步。

  “創(chuàng )新沒(méi)有止境，未來(lái)量子密鑰分發(fā)的極限傳輸距離還很難預測。但是基于目前的發(fā)展趨勢，達到1000公里左右應該是把握較大的?！表n正甫告訴記者，基于雙場(chǎng)類(lèi)的協(xié)議，千公里的量子密鑰分發(fā)（QKD）骨干線(xiàn)路可能實(shí)現。對于幅員遼闊的中國來(lái)說(shuō)，實(shí)現大范圍國家中心城市之間的量子通信網(wǎng)絡(luò )有很大價(jià)值。

  韓正甫也坦言，從根本上看，雙場(chǎng)協(xié)議并不能改變密鑰率隨著(zhù)距離指數衰減的事實(shí)，未來(lái)的洲際量子通信還是需要借助量子中繼?！暗?，量子中繼真正實(shí)用可能還需要比較長(cháng)的時(shí)間，雙場(chǎng)協(xié)議可以解決當前的大部分問(wèn)題?！表n正甫說(shuō)。