中國科大實現設備無關量子密鑰分發_風聞

來源：中國科學技術大學上海研究生院

近日，中國科學技術大學潘建偉及其同事張強、徐飛虎等，通過發展設備無關理論協議和構建高效率的光學量子糾纏系統，首次在國際上實驗實現了設備無關量子密鑰分發（DI-QKD）的原理性演示，相關研究成果以編輯推薦（Editors’ Suggestion）的形式於7月28日在線發表在《物理評論快報》上，並被美國物理學會（APS）下屬網站Physics以”Hiding Secrets Using Quantum Entanglement”為題報道。

量子密鑰分發（QKD）相比於傳統通信協議，能夠使得兩個遠距離的用户之間共享信息理論安全性的密鑰，結合一次一密的加密方式，可以確保原理上無條件安全的通信。傳統QKD方案通常需要對使用的設備有一定的瞭解和信任，然而在現實條件下，設備可能存在着某些不完美的特性。這些特性往往會為攻擊者提供威脅系統安全的側信道，造成現實條件下的潛在安全隱患。目前的主要解決方案是對設備進行檢測並制定相關標準，從而確保其在現實條件下的安全性[Rev. Mod. Phys. 92, 025002 (2020)]。

設備無關量子密鑰分發（DI-QKD）基於無漏洞量子力學基礎檢驗，提供了一套全新的不依賴於設備具體功能和特性的安全成碼方案。基於該協議，不需要對設備進行任何標定，通過貝爾不等式的違背便可以保證QKD的現實安全性，一直受到國內外學術界的高度重視和廣泛關注。然而，DI-QKD的實現十分困難，例如在光學系統中，現有理論大都給出了不低於90%的系統探測效率要求，遠遠超出了現有的技術水平。

圖1設備無關量子密鑰分發實驗裝置

為了實現這一目標，潘建偉團隊分別從理論和實驗兩方面進行探索研究。理論方面，他們提出原創的隨機後選擇DI-QKD理論方案[Phys. Rev. Lett. 128, 110506 (2022)]。其核心思想是通過在實驗測量結果中隨機添加噪聲，並將其中包含少量關聯信息但擁有較大錯誤的結果剔除掉，從而有效提升系統對於損耗的容忍度，使得現有技術水平下DI-QKD的實現成為可能。實驗方面，他們利用自發參量下轉換的原理，通過優化空間光路的參數搭建了高效率的光學糾纏源，並結合高效率的單光子探測器，使系統效率達到87.5%，超過了以往所有報道的相關光學實驗。同時，通過調整非線性晶體的擺放角度來限制其對於參量光的反射，使實驗中產生的量子態保真度達到99.5%，滿足了理論方案對於系統性能的要求。在此基礎上，潘建偉團隊首次實現了基於全光學系統的DI-QKD原理演示，成碼率達到466 bps，並且驗證了該系統在光纖長度達到220m時仍然可以產生安全的量子密鑰。

這是潘建偉團隊在設備無關量子信息處理方面，繼設備無關量子力學基礎檢驗[Phys. Rev. Lett. 118, 140402 (2017), Phys. Rev. Lett. 121, 080404 (2018)]和設備無關量子隨機數產生[Nature 562, 548 (2018), Nature Physics 17, 448 (2021)]之後的又一重要進展。這項工作對於揭示量子力學基礎檢驗和量子信息處理之間內在的深刻聯繫，發展安全的密鑰分發、構建未來的量子網絡均具有重要的意義。

與此同時，另外兩篇國際同行基於離子和原子的相關工作也於近日在《自然》（Nature）雜誌發表，這一系列工作為未來具有設備無關安全性的量子通信的廣泛應用邁出重要一步。

博士生劉文釗和張昱哲是實驗論文的共同第一作者。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部、上海市、安徽省等的支持。

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.050502

APS Physics網站鏈接：https://physics.aps.org/articles/v15/116