清华大学马雄峰研究组提出模式配对量子密钥分发协议
清华大学新闻网
近日，清华大学交叉信息研究院马雄峰教授及其研究组成员曾培、周泓伊和吴蔚捷设计了一种新型测量设备无关的协议，突破点对点量子密钥分发成码率。该协议不需要复杂的激光相位锁定、信道相位监控，大幅提升了测量设备无关密钥分发协议的性能，为高性能、高安全性量子密钥分发实用化提供了理论基础。
量子密钥分发是目前量子信息领域最为成功的应用之一，也是构建量子通信网络的第一步。基于现有的商用光学设备，量子密钥分发已经可以在一些商用环境下进行实际应用，比如我国的京沪干线工程、合肥的城市密钥分发网络等等。
为推动量子密钥分发的实用化，需要进一步提高其实际设备的安全距离和成码速率。一方面，量子密钥分发的安全距离和成码速率受光学信道传输损耗的严重限制。对于一般的点对点量子密钥分发协议而言，成码速率R是信道传输效率η的线性函数O(η)，因距离与传输效率的指数关系，成码速率R随着距离增加而指数衰减。量子中继器可以解决长距离的量子信号传输损耗的问题，然而目前其仍在研究阶段，离实用化仍有距离。
另一方面，在用实际设备实现量子密钥分发的过程中，设备往往存在不符合理论假设的漏洞。这些漏洞可以被窃听者使用，从而降低了量子密钥分发协议的实际安全性。一般的量子密钥分发系统包括量子源，信道和测量设备三个部分。其中，量子信道在理论分析中通常不做假设；量子源的假设相对简单，容易标定；而量子测量设备往往相对复杂，并且很难标定。为了解决测量设备的安全性问题，多伦多大学Hoi-KwongLo教授等人于2012年提出了测量设备无关的量子密钥分发协议（measurement-device-independent quantum key distribution）。如图1a所示，协议的通信双方Alice和Bob均产生信号，发送给不可信的中继Charlie，从而免除了对于测量设备的假设，提高了量子密钥分发协议的实际安全性。
目前的测量设备无关协议主要有两种设计方案：1）在图1b的方案中，Alice（以及Bob）用两个光学模式编码相对信息。这样的协议统称为双模协议。该种方案由于使用了相对信息作为编码，因而并不需要进行通信双方进行激光相位锁定和信道相位监控，在实验上较为容易实现。然而，由于只有探测器Charlie同时进行两次成功干涉才能产生一个成功的探测响应信号，双模协议的成码率仍然受到Alice到Bob信道的总传输效率η的严重限制。2）在图1c的方案中，Alice（以及Bob）用单个光学模式编码信息。这样的协议统称为单模协议。该种方案中，探测器Charlie只需要进行一次成功干涉就可以关联Alice和Bob的信息，从而极大提升了长距离成码率。然而，单个光学模式的干涉稳定性更加依赖于光源和信道的相位稳定性，从而需要Alice和Bob的长距离激光相位锁定技术来保证干涉稳定度，包括光源锁定和信道相位监控技术。但这也对更广泛的实验推广提出了挑战。
图1. 不同测量设备无关协议（双模协议，单模协议和模式配对协议）的比较
马雄峰研究组提出了一种新型的模式配对协议，同时兼顾单模协议的高性能和双模协议的实用性。如图1d所示，这个协议中，Alice（以及Bob）首先将信号编码在单个光学模式中。然后，根据Charlie的探测响应结果，Alice和Bob对发送的信号进行配对，提取相对的编码信息。由于Charlie只需进行单次干涉即可关联Alice和Bob的信号，该协议获得了与单模协议相近的高成码率。另一方面，由于成码信息编码在配对的信号的相对信息中，模式配对协议的编码可以容忍更高的光源及链路相位变化，因而不需要复杂的远距离激光相位锁定技术，大幅降低单模协议对光源与链路相位控制的要求。
图2展示了模式配对协议的成码率。根据实验中激光器、信道的自身稳定情况，我们可以调节协议中允许的最大配对间隔l。在l>1000时，协议的成码率可以突破点对点协议的线性成码上限；在l取到10^4以上时，协议的成码率和目前的单模协议成码率基本相同。实验验证表明，在没有激光相位锁定的环境下，配对长度l=10^4时，协议仍然有较低的错误率。
图2. 模式配对协议的成码率数值比较
这项工作对于实现高速率、实用且安全的量子密钥分发协议和量子通信网络具有重要意义。
该成果于7月7日发表在《自然·通讯》（Nature Communication）期刊，论文题为《模式匹配量子密钥分发》（Mode-pairing Quantum Key Distribution）。
本文通讯作者为清华大学交叉信息研究院马雄峰教授，第一作者曾培为交叉信息院的2020届博士毕业生，目前为芝加哥大学博士后研究员。共同作者周泓伊为交叉信息院2019届博士毕业生，目前为中科院计算所助理教授；吴蔚捷为物理系2020届本科毕业生。
该论文得到了国家自然科学基金委的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-31534-7