量子密鑰分發的新紀錄讓量子通信網絡又近一步

影響量子密鑰分發傳輸距離的首要因素是信噪比。原則上只要充分抑制噪聲就可以提升傳輸距離。但也不能說噪聲為零，就可以傳輸無限遠，這是因為線路除了噪聲還存在衰減，衰減會使得密鑰生成率降低，密鑰率太低則無法滿足任何實際應用需要，即使沒有噪聲，也失去了應用價值。

韓正甫

中國科學技術大學教授

    近日，知名學術期刊《自然·光子學》在線發表了來自中國科學技術大學（以下簡稱中科大）的一項研究成果。中科大郭光燦院士團隊的韓正甫教授及其合作者，近期實現了833公里光纖量子密鑰分發，將量子密鑰分發安全傳輸距離世界紀錄提升了200余公里，向實現千公里陸基量子保密通信邁出重要一步。

    量子密鑰分發基于量子物理的基本原理，在信息安全層面上提供了竊聽可感知的密鑰分發手段。光量子是量子信息的天然載體，但線路中不可避免的損耗限制了量子密鑰分發的安全距離，這也是制約廣域量子保密通信網絡部署和應用的關鍵因素之一。因此，如何延長光量子密鑰分發直接傳輸的安全距離，是當前極具挑戰的難點和焦點之一。

    那么，在833公里長的光纖上完成量子密鑰分發，這個世界紀錄是怎樣創造出來的？

信噪比和衰減決定傳輸距離

    “光量子密鑰分發直接傳輸的安全距離逐步逼近1000公里級，為未來廣域量子通信網奠定了很好的基礎。”韓正甫向記者解釋，將來構建的廣域量子通信網，能夠分布在多個城市，并且擁有城際骨干線路和具有城域子網。“擁有這樣的分層結構的量子通信網絡，可為較多用戶提供服務。”

    韓正甫告訴記者，影響量子密鑰分發傳輸距離的首要因素是信噪比。噪聲包括信道擾動、探測器暗計數等。原則上只要充分抑制噪聲就可以提升傳輸距離。“但是也不是說噪聲為零，就可以傳輸無限遠。”韓正甫進一步解釋道，這是因為線路除了噪聲還存在衰減，衰減會使得密鑰生成率降低，密鑰率太低則無法滿足任何實際應用需要，即使沒有噪聲，也失去了應用價值。因此決定傳輸距離的主要因素是信噪比和衰減。

    “我們團隊一直致力于實現長距離量子密鑰分發，2012年創造了206公里的紀錄。2018年的時候我們在雙場協議的理論和實驗方面做出了一些關鍵性突破，實現了300公里光纖信道的雙場實驗，這是國際上首個在光纖信道中突破理論極限的實驗。”韓正甫說，這些工作中，課題組發展了協議理論分析的方法，突破了光源相位鎖定、信道相位補償等幾項關鍵技術，這為其實現833公里光纖量子密鑰分發奠定了基礎。

    “量子通信一直是競爭激烈的國際賽道。”韓正甫告訴記者，目前國際上比較有競爭力的團隊是位于英國的東芝劍橋研究所，他們是雙場協議原始理論提出者，實驗上也實現了600公里的雙場系統。此外，英國利茲大學、日本東京大學等在理論方面也有所造詣。

突破雙場協議理論

    2018年，英國科學家提出的雙場量子密鑰分發協議突破了原有的理論極限，而且其對理論的完善和對實驗技術的開拓極具挑戰性。

    “以前的協議一般是單光子協議，雖然也需要用到相干態，但是相干態是本地制備的，通過不等臂干涉，相位補償也比較容易。”韓正甫說，雙場協議不同于之前的協議，該協議主要基于可干涉的遠程異地制備的相干態，這就對光源提出了非常苛刻的要求。不僅光源，雙場協議還要求一對相干態經過不同的、遠程信道傳輸后還可以實現接近完美的干涉，這意味著信道相位補償也很有挑戰性。

    “總的來說，雙場協議對實驗技術提出了很高的要求。在理論上，這個協議的安全性不是基于單光子描述的，因此較為復雜，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。”韓正甫說。

    經過一番認真的研究，韓正甫和他的團隊認為，這個協議提出的主要目的是突破“密鑰率—信道損耗”極限。國外也有理論物理學家證明，原則上任何端到端的協議都不能突破一個叫做線性界的極限，因此傳輸距離非常受限。“雙場協議把測量裝置挪到了信道中間，基于單光子干涉，從而繞開了線性界的束縛，開辟了新的研究方向，是一個創新性很強的工作。”韓正甫說。

    “但是雙場協議剛提出時，其安全性證明并不完善，且實驗上需要全局相位隨機化，并在傳輸后，由用戶篩選出相位匹配的情況才能產生密鑰，這些步驟降低了密鑰率，實驗實現也比較復雜。因此，在理論和實驗上，雙場協議開辟了新的方向，但是也意味著需要解決很多問題。”韓正甫表示，創新有時必須先從突破固有理論開始。

    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類協議，并首次在300公里光纖信道中驗證了此類協議的可行性。

創立四相位調制雙場協議新理論

    “2018年，我們團隊首次在理論上證明，雙場協議的編碼模式，可以不做相位隨機化，也就不用相位后選擇，這樣密鑰率可以顯著提高，實驗也實現大幅度簡化。”韓正甫告訴記者，他們的這個理論創新，當時令很多同行感到意外。因為之前學術界認為，全局隨機化是安全性的必要保障。

    免相位后選擇協議的簡潔性和高密鑰率的優勢，使得該協議成為量子通信領域競相討論的熱點之一。“當然我們也注意到，我們的免相位后選擇協議由于編碼時完全丟棄了相位隨機化，極限安全距離有些降低。后來我們想到，或許可以在編碼時適當增加幾個相位，這樣可以進一步混淆竊聽者的信息，從而延長安全距離。”韓正甫表示，他們設計出的四相位調制的雙場協議，結合了免相位后選擇協議和后選擇協議的一些特點，在極限情況下有特別的優勢。

    經過2年多的探索，郭光燦、韓正甫團隊提出了改進的四相位調制雙場協議，并進一步提升了獨立光源的鎖相穩頻技術、高帶寬信道相位補償技術、高信噪比的單光子探測信號甄別技術等關鍵技術，將光纖雙場量子密鑰分發的安全傳輸距離延長至833公里。

    大膽而嚴謹的理論創新，為中國量子通信在競爭激烈的國際賽道上又一次贏得優勢。韓正甫團隊的這項成果不僅將光纖量子密鑰分發距離從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，在實現千公里量級陸基廣域量子保密通信網絡的道路上邁出重要一步。

    “創新沒有止境，未來量子密鑰分發的極限傳輸距離還很難預測。但是基于目前的發展趨勢，達到1000公里左右應該是把握較大的。”韓正甫告訴記者，基于雙場類的協議，千公里的量子密鑰分發（QKD）骨干線路可能實現。對于幅員遼闊的中國來說，實現大范圍國家中心城市之間的量子通信網絡有很大價值。