清華新聞網(wǎng)2月9日電 近日，交叉信息院馬雄峰研究組基于小組所提出的模式匹配量子密鑰分發(fā)的理論工作，與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陳騰云等合作，首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了模式匹配量子密鑰分發(fā)。
量子密鑰分發(fā)（Quantum key distribution）利用量子物理基本原理，可為通信雙方產(chǎn)生理論上無(wú)條件安全的隨機(jī)密鑰，保證了信息傳輸過(guò)程中的安全性。自上個(gè)世紀(jì)九十年代以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的理論及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，該方向特別是基于光纖信道的量子密鑰分發(fā)當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入到了實(shí)用化階段。光子作為最普遍應(yīng)用的信息載體，其傳輸損耗是量子密鑰分發(fā)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的主要障礙。目前已有的傳統(tǒng)雙模測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)協(xié)議（MDI-QKD）無(wú)法突破傳輸損耗決定的線(xiàn)性成碼上限，傳輸距離較低，而單模相位匹配協(xié)議（PM-QKD）密鑰速率高，傳輸距離長(zhǎng)，但需要引入遠(yuǎn)距離相位鎖定技術(shù)，實(shí)用性較低。如何在兼顧實(shí)用性的前提下有效克服傳輸損耗從而提高密鑰速率、傳輸距離是量子密鑰分發(fā)協(xié)議理論和實(shí)驗(yàn)研究的核心任務(wù)。
馬雄峰和組內(nèi)2021屆博士曾培、2019屆博士周泓伊、2020級(jí)本科生吳蔚捷提出了一種新型的模式匹配量子密鑰分發(fā)(MP-QKD)協(xié)議，同時(shí)兼顧單模協(xié)議的高性能和雙模協(xié)議的實(shí)用性。如圖1所示，這個(gè)協(xié)議中，Alice（以及Bob）首先將信號(hào)編碼在單個(gè)光學(xué)模式中。然后，根據(jù)Charlie的探測(cè)響應(yīng)結(jié)果，Alice和Bob對(duì)發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行配對(duì)，提取相對(duì)的編碼信息。由于Charlie只需進(jìn)行單次干涉即可關(guān)聯(lián)Alice和Bob的信號(hào)，該協(xié)議獲得了與單模協(xié)議相近的高成碼率。另一方面，由于成碼信息編碼在配對(duì)的信號(hào)的相對(duì)信息中，模式配對(duì)協(xié)議的編碼可以容忍更高的光源及鏈路相位變化，因而不需要復(fù)雜的遠(yuǎn)距離激光相位鎖定技術(shù)，大幅降低單模協(xié)議對(duì)光源與鏈路相位控制的要求。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中激光器、信道的自身穩(wěn)定情況，可以調(diào)節(jié)協(xié)議中允許的最大配對(duì)間隔l。在l>1000時(shí)，協(xié)議的成碼率可以突破點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議的線(xiàn)性成碼上限；在l取到10^4以上時(shí)，協(xié)議的成碼率和目前的單模協(xié)議成碼率基本相同。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，在沒(méi)有激光相位鎖定的環(huán)境下，配對(duì)長(zhǎng)度l=10^4時(shí)，協(xié)議仍然有較低的錯(cuò)誤率。相較于原始的測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)協(xié)議，MP-QKD可以將更多的探測(cè)事件用于成碼，可以很大程度提高成碼率；相較于雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議(TF-QKD)和相位匹配協(xié)議，MP-QKD無(wú)需復(fù)雜的激光器鎖頻鎖相技術(shù)，節(jié)省成本且降低了實(shí)際應(yīng)用難度，同時(shí)對(duì)環(huán)境噪聲有更好的抗干擾能力。
圖1 模式匹配量子密鑰分發(fā)協(xié)議示意圖
基于該理論方案，馬雄峰和組內(nèi)2019級(jí)博士生黃溢智與中科大實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合作，提出利用極大似然估計(jì)的數(shù)據(jù)后處理方法精確地估算出兩個(gè)獨(dú)立激光器的頻率差用于參數(shù)估計(jì)，并結(jié)合中科院上海微系統(tǒng)所研制的高效率單光子探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)光纖百公里級(jí)、兩百公里級(jí)、三百公里級(jí)以及超低損光纖四百公里級(jí)的安全成碼，相較于之前的原始MDI實(shí)驗(yàn)，成碼率有明顯提升，并且在三百公里和四百公里距離上較之前實(shí)驗(yàn)成碼率提升了3個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模式匹配量子密鑰分發(fā)在不需激光器鎖頻鎖相的條件下可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離安全成碼且在城域距離有較高成碼率，極大地降低了協(xié)議實(shí)現(xiàn)難度，對(duì)未來(lái)量子通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建具有重要意義。
圖2 模式匹配協(xié)議的成碼率比較圖
相關(guān)研究成果日前發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上，并被人民網(wǎng)、科技日?qǐng)?bào)等多家媒體報(bào)道。本研究論文的共同第一作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生朱浩滔和清華大學(xué)交叉信息院2019級(jí)博士生黃溢智。該工作得到了科技部、中科院、國(guó)家自然科學(xué)基金委等的資助。
論文鏈接：
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.030801
供稿：交叉信息研究院
編輯：陳曉艷
審核：田姬熔
