我科學家實現誤差容忍高安全量子密鑰分發

本報合肥8月19日電（記者丁一鳴） 日前，中國科學技術大學郭光燦院士領導的中國科學院量子信息重點實驗室，在高安全量子密鑰分發的實用化研究方面，取得重要進展。該實驗室的韓正甫教授及其合作者銀振強、王雙、陳巍等提出了兼具高穩定性和高安全性的誤差容忍測量設備無關量子密鑰分發協議，並從安全性分析和實驗驗證兩方面證實了該協議對源端非理想特性具有極強的容忍能力，有力地推動了新一代量子密鑰分發技術的實用化進程。相關研究成果於8月3日在線發表在國際學術知名期刊《光學》上。

信息安全是當今時代的重要主題，量子密鑰分發技術以量子物理原理為基礎，可實現理論上無條件安全的密鑰分發。然而，這種理論安全性需要兩個重要的假設，即用户擁有符合理論模型描述的理想設備，以及竊聽者不能侵入系統的探測端和源端。測量設備無關量子密鑰分發可以免疫所有針對探測端的潛在攻擊行為，是新一代量子密鑰分發技術的典型協議。然而，其依然保留了對源端的諸多安全性假設，例如量子態調製中的誤差和噪聲就會違背這些安全性假設，不僅會顯著降低量子密鑰分發系統的性能，還會為潛在竊聽者創造可乘之機。在複雜的實際環境中，用户不得不耗費大量的資源以監控和校準源端，不僅會降低協議執行的效率，也可能帶來潛在的安全問題。

為推進新一代量子密鑰分發技術的實際應用，韓正甫團隊通過將源端常見的非理想特性納入安全性證明框架中，提出了兼具高穩定性和高安全性的測量設備無關協議——誤差容忍測量設備無關協議。該協議在免除了對探測端所有安全假設的同時，還免除了源端的“單光子態不可區分假設”和“純態假設”。由於免除了這兩條假設，測量設備無關協議對量子態調製中的信號畸變和噪聲具有極強的容忍能力。經過嚴格的安全性分析，該團隊證明了這些源端設備的非理想特性不會破壞測量設備無關協議的安全性，也不會降低系統的安全密鑰生成速率，因此誤差容忍協議兼具高安全和高穩定兩大特性。

韓正甫團隊還進一步搭建測量設備無關係統，對提出的誤差容忍協議進行實驗驗證。團隊首先通過自主設計的Sagnac-AMZI編碼器和四強度誘騙態調製裝置實現了原始測量設備無關協議，並通過該系統觀察測量調製信號具有不同誤差時原始協議性能的變化。隨後，團隊使用同一系統執行誤差容忍測量設備無關量子密鑰分發協議，在不對選基信號進行預先校準的情況下實現了幾乎恆定速率的安全密鑰分發。

通過前後性能對比，證明了誤差容忍測量設備無關協議的高穩定特性，以及對於實際應用的重要價值。由於實際量子密鑰系統往往需要工作在複雜快變的環境中，很難實現源端的精確即時校準，韓正甫團隊的這項成果極大地推進了測量設備無關量子密鑰分發技術的實用化進程，也為量子密鑰分發技術真正走向無條件安全奠定了理論和實驗基礎。