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量子密钥分发的新纪录 让城市间量子通信网络又近一步

        影响量子密钥分发传输距离的首要因素是信噪比。原则上只要充分抑制噪声就可以提升传输距离。但也不能说噪声为零,就可以传输无限远,这是因为线路除了噪声还存在衰减,衰减会使得密钥生成率降低,密钥率太低则无法满足任何实际应用需要,即使没有噪声,也失去了应用价值。

  韩正甫

  中国科学技术大学教授

  近日,知名学术期刊《自然·光子学》在线发表了来自中国科学技术大学(以下简称中科大)的一项研究成果。中科大郭光灿院士团队的韩正甫教授及其合作者,近期实现了833公里光纤量子密钥分发,将量子密钥分发安全传输距离世界纪录提升了200余公里,向实现千公里陆基量子保密通信迈出重要一步。

  量子密钥分发基于量子物理的基本原理,在信息安全层面上提供了窃听可感知的密钥分发手段。光量子是量子信息的天然载体,但线路中不可避免的损耗限制了量子密钥分发的安全距离,这也是制约广域量子保密通信网络部署和应用的关键因素之一。因此,如何延长光量子密钥分发直接传输的安全距离,是当前极具挑战的难点和焦点之一。

  那么,在833公里长的光纤上完成量子密钥分发,这个世界纪录是怎样创造出来的?

  信噪比和衰减决定传输距离

  “光量子密钥分发直接传输的安全距离逐步逼近1000公里级,为未来广域量子通信网奠定了很好的基础。”韩正甫向记者解释,将来构建的广域量子通信网,能够分布在多个城市,并且拥有城际骨干线路和具有城域子网。“拥有这样的分层结构的量子通信网络,可为较多用户提供服务。”

  韩正甫告诉记者,影响量子密钥分发传输距离的首要因素是信噪比。噪声包括信道扰动、探测器暗计数等。原则上只要充分抑制噪声就可以提升传输距离。“但是也不是说噪声为零,就可以传输无限远。”韩正甫进一步解释道,这是因为线路除了噪声还存在衰减,衰减会使得密钥生成率降低,密钥率太低则无法满足任何实际应用需要,即使没有噪声,也失去了应用价值。因此决定传输距离的主要因素是信噪比和衰减。

  “我们团队一直致力于实现长距离量子密钥分发,2012年创造了206公里的纪录。2018年的时候我们在双场协议的理论和实验方面做出了一些关键性突破,实现了300公里光纤信道的双场实验,这是国际上首个在光纤信道中突破理论极限的实验。”韩正甫说,这些工作中,课题组发展了协议理论分析的方法,突破了光源相位锁定、信道相位补偿等几项关键技术,这为其实现833公里光纤量子密钥分发奠定了基础。

  “量子通信一直是竞争激烈的国际赛道。”韩正甫告诉记者,目前国际上比较有竞争力的团队是位于英国的东芝剑桥研究所,他们是双场协议原始理论提出者,实验上也实现了600公里的双场系统。此外,英国利兹大学、日本东京大学等在理论方面也有所造诣。

  突破双场协议理论

  2018年,英国科学家提出的双场量子密钥分发协议突破了原有的理论极限,而且其对理论的完善和对实验技术的开拓极具挑战性。

  “以前的协议一般是单光子协议,虽然也需要用到相干态,但是相干态是本地制备的,通过不等臂干涉,相位补偿也比较容易。”韩正甫说,双场协议不同于之前的协议,该协议主要基于可干涉的远程异地制备的相干态,这就对光源提出了非常苛刻的要求。不仅光源,双场协议还要求一对相干态经过不同的、远程信道传输后还可以实现干涉,这意味着信道相位补偿也很有挑战性。

  “总的来说,双场协议对实验技术提出了很高的要求。在理论上,这个协议的安全性不是基于单光子描述的,因此较为复杂,所以理论上怎么证明安全性,怎么分析各种特性也是必须要解决的问题。”韩正甫说。

  经过一番认真的研究,韩正甫和他的团队认为,这个协议提出的主要目的是突破“密钥率—信道损耗”极限。国外也有理论物理学家证明,原则上任何端到端的协议都不能突破一个叫做线性界的极限,因此传输距离非常受限。“双场协议把测量装置挪到了信道中间,基于单光子干涉,从而绕开了线性界的束缚,开辟了新的研究方向,是一个创新性很强的工作。”韩正甫说。

  “但是双场协议刚提出时,其安全性证明并不完善,且实验上需要全局相位随机化,并在传输后,由用户筛选出相位匹配的情况才能产生密钥,这些步骤降低了密钥率,实验实现也比较复杂。因此,在理论和实验上,双场协议开辟了新的方向,但是也意味着需要解决很多问题。”韩正甫表示,创新有时必须先从突破固有理论开始。

  郭光灿、韩正甫研究组在2019年首先提出了免相位后选择的双场类协议,并首次在300公里光纤信道中验证了此类协议的可行性。

  创立四相位调制双场协议新理论

  “2018年,我们团队首次在理论上证明,双场协议的编码模式,可以不做相位随机化,也就不用相位后选择,这样密钥率可以显著提高,实验也实现大幅度简化。”韩正甫告诉记者,他们的这个理论创新,当时令很多同行感到意外。因为之前学术界认为,全局随机化是安全性的必要保障。

  免相位后选择协议的简洁性和高密钥率的优势,使得该协议成为量子通信领域竞相讨论的热点之一。“当然我们也注意到,我们的免相位后选择协议由于编码时完全丢弃了相位随机化,极限安全距离有些降低。后来我们想到,或许可以在编码时适当增加几个相位,这样可以进一步混淆窃听者的信息,从而延长安全距离。”韩正甫表示,他们设计出的四相位调制的双场协议,结合了免相位后选择协议和后选择协议的一些特点,在极限情况下有特别的优势。

  经过2年多的探索,郭光灿、韩正甫团队提出了改进的四相位调制双场协议,并进一步提升了独立光源的锁相稳频技术、高带宽信道相位补偿技术、高信噪比的单光子探测信号甄别技术等关键技术,将光纤双场量子密钥分发的安全传输距离延长至833公里。

  大胆而严谨的理论创新,为中国量子通信在竞争激烈的国际赛道上又一次赢得优势。韩正甫团队的这项成果不仅将光纤量子密钥分发距离从500多公里大幅提升至833公里,而且将安全码率提升了50—1000倍,在实现千公里量级陆基广域量子保密通信网络的道路上迈出重要一步。

  “创新没有止境,未来量子密钥分发的极限传输距离还很难预测。但是基于目前的发展趋势,达到1000公里左右应该是把握较大的。”韩正甫告诉记者,基于双场类的协议,千公里的量子密钥分发(QKD)骨干线路可能实现。对于幅员辽阔的中国来说,实现大范围国家中心城市之间的量子通信网络有很大价值。

  韩正甫也坦言,从根本上看,双场协议并不能改变密钥率随着距离指数衰减的事实,未来的洲际量子通信还是需要借助量子中继。“但是,量子中继真正实用可能还需要比较长的时间,双场协议可以解决当前的大部分问题。”韩正甫说。