記者從中國科大獲悉，該校郭光燦院士團(tuán)隊首先在理論上提出了免相位后選擇的孿生場量子密鑰分發(fā)（QKD）協(xié)議，為無中繼長距離城際量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)建設(shè)邁出了關(guān)鍵的一步。該工作的理論和實驗成果日前分別發(fā)表在權(quán)威期刊《物理應(yīng)用評論》和《物理評論X》上。
QKD使得無條件安全的保密通信成為可能。然而，實際QKD系統(tǒng)受信道損耗的制約，其密鑰生成率隨著信道長度的增加而顯著降低。量子密碼理論學(xué)家們證明，密鑰生成率隨著信道傳輸效率的下降線性減小。2018年英國科學(xué)家提出了孿生場（TF）QKD協(xié)議，基于該協(xié)議利用單光子響應(yīng)就可以產(chǎn)生密鑰，其密鑰生成率隨著信道效率平方根下降而減小，在長距離信道情況下其密鑰生成率有顯著優(yōu)勢。但由于其編碼模式必須進(jìn)行相位隨機化和后選擇，顯著降低了系統(tǒng)密鑰率，增加了實現(xiàn)的復(fù)雜程度。
經(jīng)過深入研究，郭光燦院士團(tuán)隊提出了一種新型TF-QKD協(xié)議，并給出了完備的安全性證明。新協(xié)議的編碼模式不需要進(jìn)行相位隨機化和后選擇，在顯著提升協(xié)議效率的同時還降低了實現(xiàn)的復(fù)雜度，并且可以在更短的信道距離下突破線性界，密鑰生成率得以顯著提高。科研人員首先在基于光學(xué)鎖相環(huán)和反饋控制方案上取得突破，實現(xiàn)了兩臺獨立激光器之間的穩(wěn)定一階干涉，解決了相干光場制備的技術(shù)難題。接著，他們又設(shè)計并實現(xiàn)了遠(yuǎn)程光纖信道快速相位補償控制技術(shù)，得到了臂長150公里的一階光學(xué)干涉。最終，研究組在300公里光纖信道上實現(xiàn)了TF-QKD原理驗證系統(tǒng)，其密鑰生成率達(dá)到了2kbps，突破了線性界。這一密鑰率約為線性界的3倍。
該成果驗證了在無中繼條件下，遠(yuǎn)距離、跨城際高密鑰率傳輸和組網(wǎng)的可行性，在量子中繼短期難以實用的情況下，可望在大范圍、遠(yuǎn)距離量子保密通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面取得突破。記者吳長鋒