南京大學提出量子密鑰分發新協議，提升城際傳輸距離與密鑰率

近期，南京大學團隊提出異步測量設備無關量子密鑰分發協議，打破了碼率-距離限制，將城際傳輸密鑰率提高多個數量級，大幅提升傳輸距離。

圖片來自南京大學物理學院

2012年，測量設備無關量子密鑰分發(MDIQKD)通過引入一個不可信的中間節點來進行貝爾態測量，可以關閉量子網絡中的所有探測端漏洞。由于其出色的實際安全性，易于在星型網絡部署，以及成熟的通用技術，MDIQKD被視為未來量子網絡中一個重要且高效的架構模塊。然而MDIQKD需要兩個光子同時到達中間節點干涉，其密鑰率受到了無中繼量子信道碼率-距離限制，因此難以應用到實際的城際量子網絡中。

2018年，雙場量子密鑰分發(TFQKD)利用遠距離單光子干涉，打破了無中繼量子信道碼率-距離限制，極大提升城際量子通信安全密鑰率。使用最先進的技術，中國已實現了超過830公里光纖傳輸的TFQKD實驗。然而，為了補償遠距離量子信道相位的快速漂移，以及實現遠距離獨立激光器的相位鎖定，在實驗中必須使用復雜且昂貴的相位鎖定和跟蹤技術，極大增加了實驗復雜性和商業成本，且不嚴格地實施可能導致安全風險。

因此，提出一個新型協議，能夠同時集成TFQKD優異的城際碼率性能和MDIQKD成熟通用技術，成為一項艱巨但重要的任務。此外，量子密鑰分發網絡的普適限制理論指出，雙光子干涉的雙軌(dual-rail)MDIQKD協議無法打破無中繼量子信道碼率-距離限制。

此次，南京大學物理學院、固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心尹華磊、陳增兵課題組受到對偶糾纏的啟發，利用后匹配方法巧妙地將同步時間編碼轉化為異步時間編碼，設計出了一種異步MDIQKD協議。

團隊利用全同粒子的對偶糾纏特性，將同步時間相位編碼的測量設備無關量子密鑰分發中兩個連續時間箱解耦，通過后匹配方法提出了異步協議。并且，采用通用的MDIQKD技術，將該異步協議通過經典后處理實現時間復用，從而構建雙光子貝爾態，將城際傳輸密鑰率提高多個數量級，大幅提升了傳輸距離，建立起溝通MDIQKD與TFQKD之間的橋梁。相關成果近日發表在美國物理學會期刊《物理學評論X輯-量子》(PRX Quantum)。

圖片來自《物理學評論X輯-量子》(PRX Quantum)

在具體實驗中，前述團隊通過隨機匹配兩個探測到的相位相關聯的時間箱，以建立異步雙光子貝爾態，從而讓雙光子干涉的雙軌MDIQKD協議打破無中繼量子信道碼率-距離限制，將理論上的不可能變為可能。

此外，由于每個時刻之間的相位噪聲差在較短的時間間隔內近似相等，可以在不使用相位跟蹤和鎖定技術情況下，對兩個與相位相關的時間箱進行后匹配，大幅降低了實驗難度。由于無論選擇何種非對稱源參數，每個用戶的單光子對成分密度矩陣在時間和相位基矢下總是相同的，因此新協議適用于用戶可以動態訪問而不考慮已有用戶源參數的量子網絡。

a為移除相位跟蹤技術，b為同時移除相位跟蹤和相位鎖定技術，圖片來自論文

實驗仿真結果表明，對于1 GHz（吉赫）系統，前述協議在無相位跟蹤的情況下傳輸距離可達450公里；同時去除相位跟蹤和鎖定技術后，協議在有限密鑰效應下，仍可以在270公里距離上打破無中繼量子信道碼率-距離限制。在城際距離，協議的密鑰率與原始MDIQKD協議相比，提高了數萬倍。例如，傳輸300公里其密鑰率可達0.15 Mbit/s（兆比特每秒），足以執行包括音頻、視頻的一次一密等各種任務。

與此同時，由于新協議無需相位跟蹤，其單光子探測器的所有探測計數容量都可以用于量子信號測量，使其在城際距離上能實現比使用同頻強參考光相位跟蹤技術的TFQKD協議高一個數量級的密鑰率。

前述研究成果突破了“雙軌”測量設備無關量子密鑰分發的碼率-距離限制，有助于大規模的量子通信網絡。審稿人對此評價，“這是一個連接測量設備無關和雙場量子密鑰分發的巧妙方法”，“這項工作為TFQKD系統的改進提供了一個重要建議”。

論文共同第一作者為南京大學物理學院碩士研究生謝元梅和陸玉碩，通信作者為南京大學副教授尹華磊和教授陳增兵。研究工作獲得國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、中央高校基本科研業務費、南京江北新區重點研發計劃等支持。

關鍵詞： 傳輸距離 南京大學