中國科學家首次提出新型遠程量子密鑰分發協議

據科技日報6月17日報道，記者從中國科大獲悉，該校郭光燦院士團隊首先在理論上提出了免相位後選擇的孿生場量子密鑰分發（QKD）協議，為無中繼長距離城際量子密鑰分配網絡建設邁出了關鍵的一步。該工作的理論和實驗成果日前分別發表在權威期刊《物理應用評論》和《物理評論X》上。

QKD使得無條件安全的保密通信成為可能。然而，實際QKD系統受信道損耗的制約，其密鑰生成率隨着信道長度的增加而顯著降低。量子密碼理論學家們證明，密鑰生成率隨着信道傳輸效率的下降線性減小。2018年英國科學家提出了孿生場（TF）QKD協議，基於該協議利用單光子響應就可以產生密鑰，其密鑰生成率隨着信道效率平方根下降而減小，在長距離信道情況下其密鑰生成率有顯著優勢。但由於其編碼模式必須進行相位隨機化和後選擇，顯著降低了系統密鑰率，增加了實現的複雜程度。

經過深入研究，郭光燦院士團隊提出了一種新型TF-QKD協議，並給出了完備的安全性證明。新協議的編碼模式不需要進行相位隨機化和後選擇，在顯著提升協議效率的同時還降低了實現的複雜度，並且可以在更短的信道距離下突破線性界，密鑰生成率得以顯著提高。科研人員首先在基於光學鎖相環和反饋控制方案上取得突破，實現了兩台獨立激光器之間的穩定一階干涉，解決了相干光場製備的技術難題。接着，他們又設計並實現了遠程光纖信道快速相位補償控制技術，得到了臂長150公里的一階光學干涉。最終，研究組在300公里光纖信道上實現了TF-QKD原理驗證系統，其密鑰生成率達到了2kbps，突破了線性界。這一密鑰率約為線性界的3倍。

該成果驗證了在無中繼條件下，遠距離、跨城際高密鑰率傳輸和組網的可行性，在量子中繼短期難以實用的情況下，可望在大範圍、遠距離量子保密通信網絡應用方面取得突破。