清華新聞網(wǎng)7月13日電 近日，清華大學(xué)交叉信息研究院馬雄峰教授及其研究組成員曾培、周泓伊和吳蔚捷設(shè)計(jì)了一種新型測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的協(xié)議，突破點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子密鑰分發(fā)成碼率。該協(xié)議不需要復(fù)雜的激光相位鎖定、信道相位監(jiān)控，大幅提升了測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)密鑰分發(fā)協(xié)議的性能，為高性能、高安全性量子密鑰分發(fā)實(shí)用化提供了理論基礎(chǔ)。
量子密鑰分發(fā)是目前量子信息領(lǐng)域最為成功的應(yīng)用之一，也是構(gòu)建量子通信網(wǎng)絡(luò)的第一步?；诂F(xiàn)有的商用光學(xué)設(shè)備，量子密鑰分發(fā)已經(jīng)可以在一些商用環(huán)境下進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，比如我國(guó)的京滬干線(xiàn)工程、合肥的城市密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)等等。
為推動(dòng)量子密鑰分發(fā)的實(shí)用化，需要進(jìn)一步提高其實(shí)際設(shè)備的安全距離和成碼速率。一方面，量子密鑰分發(fā)的安全距離和成碼速率受光學(xué)信道傳輸損耗的嚴(yán)重限制。對(duì)于一般的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子密鑰分發(fā)協(xié)議而言，成碼速率R是信道傳輸效率η的線(xiàn)性函數(shù)O(η)，因距離與傳輸效率的指數(shù)關(guān)系，成碼速率R隨著距離增加而指數(shù)衰減。量子中繼器可以解決長(zhǎng)距離的量子信號(hào)傳輸損耗的問(wèn)題，然而目前其仍在研究階段，離實(shí)用化仍有距離。
另一方面，在用實(shí)際設(shè)備實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)的過(guò)程中，設(shè)備往往存在不符合理論假設(shè)的漏洞。這些漏洞可以被竊聽(tīng)者使用，從而降低了量子密鑰分發(fā)協(xié)議的實(shí)際安全性。一般的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)包括量子源，信道和測(cè)量設(shè)備三個(gè)部分。其中，量子信道在理論分析中通常不做假設(shè)；量子源的假設(shè)相對(duì)簡(jiǎn)單，容易標(biāo)定；而量子測(cè)量設(shè)備往往相對(duì)復(fù)雜，并且很難標(biāo)定。為了解決測(cè)量設(shè)備的安全性問(wèn)題，多倫多大學(xué)Hoi-KwongLo教授等人于2012年提出了測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的量子密鑰分發(fā)協(xié)議（measurement-device-independent quantum key distribution）。如圖1a所示，協(xié)議的通信雙方Alice和Bob均產(chǎn)生信號(hào)，發(fā)送給不可信的中繼Charlie，從而免除了對(duì)于測(cè)量設(shè)備的假設(shè)，提高了量子密鑰分發(fā)協(xié)議的實(shí)際安全性。
目前的測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)協(xié)議主要有兩種設(shè)計(jì)方案：1）在圖1b的方案中，Alice（以及Bob）用兩個(gè)光學(xué)模式編碼相對(duì)信息。這樣的協(xié)議統(tǒng)稱(chēng)為雙模協(xié)議。該種方案由于使用了相對(duì)信息作為編碼，因而并不需要進(jìn)行通信雙方進(jìn)行激光相位鎖定和信道相位監(jiān)控，在實(shí)驗(yàn)上較為容易實(shí)現(xiàn)。然而，由于只有探測(cè)器Charlie同時(shí)進(jìn)行兩次成功干涉才能產(chǎn)生一個(gè)成功的探測(cè)響應(yīng)信號(hào)，雙模協(xié)議的成碼率仍然受到Alice到Bob信道的總傳輸效率η的嚴(yán)重限制。2）在圖1c的方案中，Alice（以及Bob）用單個(gè)光學(xué)模式編碼信息。這樣的協(xié)議統(tǒng)稱(chēng)為單模協(xié)議。該種方案中，探測(cè)器Charlie只需要進(jìn)行一次成功干涉就可以關(guān)聯(lián)Alice和Bob的信息，從而極大提升了長(zhǎng)距離成碼率。然而，單個(gè)光學(xué)模式的干涉穩(wěn)定性更加依賴(lài)于光源和信道的相位穩(wěn)定性，從而需要Alice和Bob的長(zhǎng)距離激光相位鎖定技術(shù)來(lái)保證干涉穩(wěn)定度，包括光源鎖定和信道相位監(jiān)控技術(shù)。但這也對(duì)更廣泛的實(shí)驗(yàn)推廣提出了挑戰(zhàn)。
圖1. 不同測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)協(xié)議（雙模協(xié)議，單模協(xié)議和模式配對(duì)協(xié)議）的比較
馬雄峰研究組提出了一種新型的模式配對(duì)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1d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。圖2展示了模式配對(duì)協(xié)議的成碼率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中激光器、信道的自身穩(wěn)定情況，我們可以調(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。
圖2. 模式配對(duì)協(xié)議的成碼率數(shù)值比較
這項(xiàng)工作對(duì)于實(shí)現(xiàn)高速率、實(shí)用且安全的量子密鑰分發(fā)協(xié)議和量子通信網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。
該成果于7月7日發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communication）期刊，論文題為“模式匹配量子密鑰分發(fā)”（Mode-pairing Quantum Key Distribution）。
本文通訊作者為清華大學(xué)交叉信息研究院馬雄峰教授，第一作者曾培為交叉信息院的2020屆博士畢業(yè)生，目前為芝加哥大學(xué)博士后研究員。共同作者周泓伊為交叉信息院2019屆博士畢業(yè)生，目前為中科院計(jì)算所助理教授；吳蔚捷為物理系2020屆本科畢業(yè)生。
該論文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-31534-7
供稿：交叉信息研究院
題圖設(shè)計(jì)：曾儀
編輯：李華山
審核：田姬熔
