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我实验室陈巍、银振强、王双、韩正甫等在远程量子密钥分发方面取得重要进展

发布时间:2019-06-15

我实验室在远程量子密钥分发方面取得重要进展。陈巍、银振强、王双、韩正甫等首先在理论上提出了免相位后选择的孪生场量子密钥分发(QKD)协议,该协议显著降低了孪生场类协议的实现难度。基于这一协议,该研究组突破了孪生光场制备和长距离光纤信道相位补偿两项技术,在300公里光纤上,首次完成了不受无中继QKD协议密钥生成率上界(线性界)限制的高密钥生成率实验,为无中继长距离城际量子密钥分配网络迈出了关键的一步。该工作的理论成果发表在应用物理权威期刊Physical Review Applied 11,034053 (2019),实验成果发表在最新一期的物理学权威期刊Physical Review X 9, 021046 (2019)

QKD利用量子力学原理,为异地通信双方协商出信息论安全的密钥,从而使得无条件安全的保密通信成为可能,受到了学术界和产业界的广泛关注。然而,实际QKD系统受信道损耗的制约,其密钥生成率随着信道长度的增加而显著降低。量子密码理论学家们证明,任何无中继的QKD协议其密钥生成率都不能突破线性界(Nat. Commun. 8, 15043, 2017),即密钥生成率随着信道传输效率的下降线性减小。20185月,英国东芝剑桥研究所的科学家提出了孪生场(TF) QKD协议(Nature 557, 400, 2018),该协议基于相干态直接干涉,利用单光子响应就可以产生密钥,其密钥生成率随着信道效率平方根下降而减小,在长距离信道情况下其密钥生成率有显著优势,且其安全性是测量设备无关的。

上述协议的编码模式必须进行相位随机化和后选择,这两项要求显著降低了系统密钥率,增加了实现的复杂度。韩正甫研究组经过深入研究,提出了一种新型TF-QKD协议,并给出了完备的安全性证明。新协议的编码模式不需要进行相位随机化和后选择,在显著提升了协议效率的同时还降低实现的复杂度,并且可以在更短的信道距离下突破线性界,密钥生成率得以显著提高。研究组首先在基于光学锁相环和反馈控制方案上取得突破,实现了两台独立激光器之间的稳定一阶干涉,解决了相干光场制备的技术难题。接着,研究组又设计并实现了远程光纤信道快速相位补偿控制技术,得到了臂长150公里的一阶光学干涉。最终,研究组在300公里光纤信道上实现了TF-QKD原理验证系统,其密钥生成率达到了2kbps,突破了线性界。这一密钥率约为线性界的3倍。

该工作验证了在无中继条件下,远距离、跨城际高密钥率传输和组网的可行性,在量子中继短期难以实用的情况下,TF-QKD协议可望在大范围、远距离量子保密通信网络应用方面取得突破。

该协议理论文章的第一作者为我实验室本科生崔超涵,通信作者为银振强教授和王双教授;实验论文的共同第一作者是王双教授和何德勇实验师,通信作者为银振强教授和陈巍副教授。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和安徽省的资助。

附文章链接:

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.11.034053

https://doi.org/10.1103/PhysRevX.9.021046


(中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部)