中國(guó)科學(xué)家首次提出新型遠(yuǎn)程量子密鑰分發(fā)協(xié)議

記者從中國(guó)科大獲悉，該校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)首先在理論上提出了免相位后選擇的孿生場(chǎng)量子密鑰分發(fā)(QKD)協(xié)議，為無中繼長(zhǎng)距離城際量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)建設(shè)邁出了關(guān)鍵的一步。該工作的理論和實(shí)驗(yàn)成果日前分別發(fā)表在權(quán)威期刊《物理應(yīng)用評(píng)論》和《物理評(píng)論X》上。

QKD使得無條件安全的保密通信成為可能。然而，實(shí)際QKD系統(tǒng)受信道損耗的制約，其密鑰生成率隨著信道長(zhǎng)度的增加而顯著降低。量子密碼理論學(xué)家們證明，密鑰生成率隨著信道傳輸效率的下降線性減小。2018年英國(guó)科學(xué)家提出了孿生場(chǎng)(TF)QKD協(xié)議，基于該協(xié)議利用單光子響應(yīng)就可以產(chǎn)生密鑰，其密鑰生成率隨著信道效率平方根下降而減小，在長(zhǎng)距離信道情況下其密鑰生成率有顯著優(yōu)勢(shì)。但由于其編碼模式必須進(jìn)行相位隨機(jī)化和后選擇，顯著降低了系統(tǒng)密鑰率，增加了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度。

經(jīng)過深入研究，郭光燦院士團(tuán)隊(duì)提出了一種新型TF-QKD協(xié)議，并給出了完備的安全性證明。新協(xié)議的編碼模式不需要進(jìn)行相位隨機(jī)化和后選擇，在顯著提升協(xié)議效率的同時(shí)還降低了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，并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。科研人員首先在基于光學(xué)鎖相環(huán)和反饋控制方案上取得突破，實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)獨(dú)立激光器之間的穩(wěn)定一階干涉，解決了相干光場(chǎng)制備的技術(shù)難題。接著，他們又設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程光纖信道快速相位補(bǔ)償控制技術(shù)，得到了臂長(zhǎng)150公里的一階光學(xué)干涉。最終，研究組在300公里光纖信道上實(shí)現(xiàn)了TF-QKD原理驗(yàn)證系統(tǒng)，其密鑰生成率達(dá)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(yàn)證了在無中繼條件下，遠(yuǎn)距離、跨城際高密鑰率傳輸和組網(wǎng)的可行性，在量子中繼短期難以實(shí)用的情況下，可望在大范圍、遠(yuǎn)距離量子保密通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面取得突破。記者吳長(zhǎng)鋒

標(biāo)簽： 密鑰生成 量子保密通信