1月17日,知名的学术刊物《自然·光子学》在线发表了来自中国科学技术大学的一项研究成果。中国科大郭光灿院士团队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,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,成为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?

关键“信噪比”,降!降!降!

“光量子密钥分发直接传输的安全距离逐步逼近了1000公里级,这就为未来广域量子通信网奠定很好基础。”面对记者的来访,中国科大韩正甫教授热心地向记者解释,将来构建的广域量子通信网,能够分布在多个城市的,并且拥有城际骨干线路和具有城域子网。“这样的分层结构,为较多用户提供服务的量子通信网络。”

韩正甫教授告诉记者,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。“但是也不能说噪声为零,就可以传输无限远。”韩正甫教授进一步解释道,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公里的记录。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。”韩正甫教授告诉记者,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,这为团队实现833公里奠定了基础。

“量子通信一直是竞争激烈的国际赛道。”韩正甫教授告诉记者,目前国际上,比较有竞争力的团队是东芝剑桥研究所,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不少造诣。

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,但其理论的完善和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。”韩正甫教授告诉记者,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近完美的干涉,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,怎么分析各种非完美特性也是必须要解决的问题。”韩正甫说。

经过了一番认真的研究,韩正甫教授和他团队认为,这个协议提出的主要目的是为了突破“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,创新有时就先必须从突破固有的理论开始。

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年的时候,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了,这样密钥率可以显著提高,实验上也大幅度简化了。”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,这样进一步混肴窃听者的信息,从而可以延长安全距离。”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突破,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。相比于国内外其他研究团队工作,韩正甫团队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,为实现千公里量级陆基广域量子保密通信网络迈出重要一步。

“事实上,创新是没有止境的,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QKD骨干线路可能实现,这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。

韩正甫教授也坦言,从根本上来看,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的。“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吧。”韩正甫说。(科技日报记者 吴长锋)

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