近期，南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出異步測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議，打破了碼率-距離限制，將城際傳輸密鑰率提高多個數(shù)量級，大幅提升傳輸距離。

圖片來自南京大學(xué)物理學(xué)院

2012年，測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)(MDIQKD)通過引入一個不可信的中間節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行貝爾態(tài)測量，可以關(guān)閉量子網(wǎng)絡(luò)中的所有探測端漏洞。由于其出色的實(shí)際安全性，易于在星型網(wǎng)絡(luò)部署，以及成熟的通用技術(shù)，MDIQKD被視為未來量子網(wǎng)絡(luò)中一個重要且高效的架構(gòu)模塊。然而MDIQKD需要兩個光子同時到達(dá)中間節(jié)點(diǎn)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(yīng)用到實(shí)際的城際量子網(wǎng)絡(luò)中。

2018年，雙場量子密鑰分發(fā)(TFQKD)利用遠(yuǎn)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(jìn)的技術(shù)，中國已實(shí)現(xiàn)了超過830公里光纖傳輸?shù)腡FQKD實(shí)驗(yàn)。然而，為了補(bǔ)償遠(yuǎn)距離量子信道相位的快速漂移，以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離獨(dú)立激光器的相位鎖定，在實(shí)驗(yàn)中必須使用復(fù)雜且昂貴的相位鎖定和跟蹤技術(shù)，極大增加了實(shí)驗(yàn)復(fù)雜性和商業(yè)成本，且不嚴(yán)格地實(shí)施可能導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)。

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

此次，南京大學(xué)物理學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心尹華磊、陳增兵課題組受到對偶糾纏的啟發(fā)，利用后匹配方法巧妙地將同步時間編碼轉(zhuǎn)化為異步時間編碼，設(shè)計(jì)出了一種異步MDIQKD協(xié)議。

團(tuán)隊(duì)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(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)中兩個連續(xù)時間箱解耦，通過后匹配方法提出了異步協(xié)議。并且，采用通用的MDIQKD技術(shù)，將該異步協(xié)議通過經(jīng)典后處理實(shí)現(xiàn)時間復(fù)用，從而構(gòu)建雙光子貝爾態(tài)，將城際傳輸密鑰率提高多個數(shù)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(guān)成果近日發(fā)表在美國物理學(xué)會期刊《物理學(xué)評論X輯-量子》(PRX Quantum)。

圖片來自《物理學(xué)評論X輯-量子》(PRX Quantum)

在具體實(shí)驗(yàn)中，前述團(tuán)隊(duì)通過隨機(jī)匹配兩個探測到的相位相關(guān)聯(lián)的時間箱，以建立異步雙光子貝爾態(tài)，從而讓雙光子干涉的雙軌MDIQKD協(xié)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?yōu)榭赡堋?/p>

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(nèi)近似相等，可以在不使用相位跟蹤和鎖定技術(shù)情況下，對兩個與相位相關(guān)的時間箱進(jìn)行后匹配，大幅降低了實(shí)驗(yàn)難度。由于無論選擇何種非對稱源參數(shù)，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(xié)議適用于用戶可以動態(tài)訪問而不考慮已有用戶源參數(shù)的量子網(wǎng)絡(luò)。

a為移除相位跟蹤技術(shù)，b為同時移除相位跟蹤和相位鎖定技術(shù)，圖片來自論文

實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，對于1 GHz（吉赫）系統(tǒng)，前述協(xié)議在無相位跟蹤的情況下傳輸距離可達(dá)450公里；同時去除相位跟蹤和鎖定技術(shù)后，協(xié)議在有限密鑰效應(yīng)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(xié)議的密鑰率與原始MDIQKD協(xié)議相比，提高了數(shù)萬倍。例如，傳輸300公里其密鑰率可達(dá)0.15 Mbit/s（兆比特每秒），足以執(zhí)行包括音頻、視頻的一次一密等各種任務(wù)。

與此同時，由于新協(xié)議無需相位跟蹤，其單光子探測器的所有探測計(jì)數(shù)容量都可以用于量子信號測量，使其在城際距離上能實(shí)現(xiàn)比使用同頻強(qiáng)參考光相位跟蹤技術(shù)的TFQKD協(xié)議高一個數(shù)量級的密鑰率。

前述研究成果突破了“雙軌”測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)的碼率-距離限制，有助于大規(guī)模的量子通信網(wǎng)絡(luò)。審稿人對此評價，“這是一個連接測量設(shè)備無關(guān)和雙場量子密鑰分發(fā)的巧妙方法”，“這項(xiàng)工作為TFQKD系統(tǒng)的改進(jìn)提供了一個重要建議”。

論文共同第一作者為南京大學(xué)物理學(xué)院碩士研究生謝元梅和陸玉碩，通信作者為南京大學(xué)副教授尹華磊和教授陳增兵。研究工作獲得國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)、南京江北新區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等支持。