量子密鑰分發(fā)的新紀(jì)錄　讓城市間量子通信網(wǎng)絡(luò)又近一步

吳長(zhǎng)鋒

近日，知名學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》在線發(fā)表了來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱中科大）的一項(xiàng)研究成果。中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)的韓正甫教授及其合作者，近期實(shí)現(xiàn)了833公里光纖量子密鑰分發(fā)，將量子密鑰分發(fā)安全傳輸距離世界紀(jì)錄提升了200余公里，向?qū)崿F(xiàn)千公里陸基量子保密通信邁出重要一步。

“光量子密鑰分發(fā)直接傳輸?shù)陌踩嚯x逐步逼近1000公里級(jí)，為未來(lái)廣域量子通信網(wǎng)奠定了很好的基礎(chǔ)?！表n正甫向記者解釋，將來(lái)構(gòu)建的廣域量子通信網(wǎng)，能夠分布在多個(gè)城市，并且擁有城際骨干線路和具有城域子網(wǎng)?！皳碛羞@樣的分層結(jié)構(gòu)的量子通信網(wǎng)絡(luò)，可為較多用戶提供服務(wù)?！?/p>

韓正甫告訴記者，影響量子密鑰分發(fā)傳輸距離的首要因素是信噪比。噪聲包括信道擾動(dòng)、探測(cè)器暗計(jì)數(shù)等。原則上只要充分抑制噪聲就可以提升傳輸距離?！暗且膊皇钦f(shuō)噪聲為零，就可以傳輸無(wú)限遠(yuǎn)?！表n正甫進(jìn)一步解釋道，這是因?yàn)榫€路除了噪聲還存在衰減，衰減會(huì)使得密鑰生成率降低，密鑰率太低則無(wú)法滿足任何實(shí)際應(yīng)用需要，即使沒有噪聲，也失去了應(yīng)用價(jià)值。因此決定傳輸距離的主要因素是信噪比和衰減。

2018年，英國(guó)科學(xué)家提出的雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議突破了原有的理論極限，而且其對(duì)理論的完善和對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的開拓極具挑戰(zhàn)性。

“以前的協(xié)議一般是單光子協(xié)議，雖然也需要用到相干態(tài)，但是相干態(tài)是本地制備的，通過不等臂干涉，相位補(bǔ)償也比較容易?！表n正甫說(shuō)，雙場(chǎng)協(xié)議不同于之前的協(xié)議，該協(xié)議主要基于可干涉的遠(yuǎn)程異地制備的相干態(tài)，這就對(duì)光源提出了非?？量痰囊?。不僅光源，雙場(chǎng)協(xié)議還要求一對(duì)相干態(tài)經(jīng)過不同的、遠(yuǎn)程信道傳輸后還可以實(shí)現(xiàn)接近完美的干涉，這意味著信道相位補(bǔ)償也很有挑戰(zhàn)性。

“總的來(lái)說(shuō)，雙場(chǎng)協(xié)議對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)提出了很高的要求。在理論上，這個(gè)協(xié)議的安全性不是基于單光子描述的，因此較為復(fù)雜，所以理論上怎么證明安全性，怎么分析各種非完美特性也是必須要解決的問題?！表n正甫說(shuō)。

郭光燦、韓正甫研究組在2019年首先提出了免相位后選擇的雙場(chǎng)類協(xié)議，并首次在300公里光纖信道中驗(yàn)證了此類協(xié)議的可行性。

“2018年，我們團(tuán)隊(duì)首次在理論上證明，雙場(chǎng)協(xié)議的編碼模式，可以不做相位隨機(jī)化，也就不用相位后選擇，這樣密鑰率可以顯著提高，實(shí)驗(yàn)也實(shí)現(xiàn)大幅度簡(jiǎn)化?！表n正甫告訴記者，他們的這個(gè)理論創(chuàng)新，當(dāng)時(shí)令很多同行感到意外。因?yàn)橹皩W(xué)術(shù)界認(rèn)為，全局隨機(jī)化是安全性的必要保障。

免相位后選擇協(xié)議的簡(jiǎn)潔性和高密鑰率的優(yōu)勢(shì)，使得該協(xié)議成為量子通信領(lǐng)域競(jìng)相討論的熱點(diǎn)之一?！爱?dāng)然我們也注意到，我們的免相位后選擇協(xié)議由于編碼時(shí)完全丟棄了相位隨機(jī)化，極限安全距離有些降低。后來(lái)我們想到，或許可以在編碼時(shí)適當(dāng)增加幾個(gè)相位，這樣可以進(jìn)一步混淆竊聽者的信息，從而延長(zhǎng)安全距離?！表n正甫表示，他們?cè)O(shè)計(jì)出的四相位調(diào)制的雙場(chǎng)協(xié)議，結(jié)合了免相位后選擇協(xié)議和后選擇協(xié)議的一些特點(diǎn)，在極限情況下有特別的優(yōu)勢(shì)。

經(jīng)過2年多的探索，郭光燦、韓正甫團(tuán)隊(duì)提出了改進(jìn)的四相位調(diào)制雙場(chǎng)協(xié)議，并進(jìn)一步提升了獨(dú)立光源的鎖相穩(wěn)頻技術(shù)、高帶寬信道相位補(bǔ)償技術(shù)、高信噪比的單光子探測(cè)信號(hào)甄別技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，將光纖雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)的安全傳輸距離延長(zhǎng)至833公里。

大膽而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚搫?chuàng)新，為中國(guó)量子通信在競(jìng)爭(zhēng)激烈的國(guó)際賽道上又一次贏得優(yōu)勢(shì)。韓正甫團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)成果不僅將光纖量子密鑰分發(fā)距離從500多公里大幅提升至833公里，而且將安全碼率提升了50—1000倍，在實(shí)現(xiàn)千公里量級(jí)陸基廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的道路上邁出重要一步。

“創(chuàng)新沒有止境，未來(lái)量子密鑰分發(fā)的極限傳輸距離還很難預(yù)測(cè)。但是基于目前的發(fā)展趨勢(shì)，達(dá)到1000公里左右應(yīng)該是把握較大的?！表n正甫告訴記者，基于雙場(chǎng)類的協(xié)議，千公里的量子密鑰分發(fā)（QKD）骨干線路可能實(shí)現(xiàn)。對(duì)于幅員遼闊的中國(guó)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)大范圍國(guó)家中心城市之間的量子通信網(wǎng)絡(luò)有很大價(jià)值。