首创成果！中国科学家实现模式匹配量子密钥分发

光子盒研究院出品

近日，中国科学技术大学潘建伟、陈腾云等与清华大学马雄峰合作，首次在实验上实现了模式匹配量子密钥分发(Mode-pairing QKD)，相关研究成果于1月17日发表在《物理评论快报》上[1]。

模式匹配量子密钥分发

量子密钥分发(QKD)基于量子力学基本原理，可以实现理论上无条件安全的保密通信，因此在近几十年来一直是学术界的研究热点。

模式匹配量子密钥分发协议(MP-QKD)是由清华大学马雄峰研究组于2022年提出的一种新型测量设备无关量子密钥分发协议，要求通信双方首先将信息编码在单个光学模式中，基于探测响应结果，通信双方按照一定规则进行配对，再根据配对情况进行基矢比对、参数估计等后处理操作来产生最终的安全密钥。

相较于原始的测量设备无关协议(MDI-QKD)，MP-QKD可以将更多的探测事件用于成码，可以很大程度提高成码率；相较于双场量子密钥分发协议(TF-QKD)和相位匹配协议（PM-QKD），MP-QKD无需复杂的激光器锁频锁相技术，节省成本且降低了实际应用难度，同时对环境噪声有更好的抗干扰能力。

不同MDI-QKD方案的比较。在使用双模编码的传统MDI-QKD方案中，密钥信息被编码为两个预定的脉冲。只有当Charlie检测到这两个脉冲时，Alice和Bob才能知道编码的信息，表示为灰色箭头。在使用单模编码的双场QKD方案中，关键信息被编码成一个脉冲，这在信道中很容易受到干扰。当Charlie宣布点击一个脉冲，表示为绿色箭头，Alice和Bob可以推导出一个密钥位。在模式配对MDI-QKD中，Alice和Bob将信息编码成一个脉冲，以摆脱重合的检测要求，并根据检测结果对点击的脉冲进行配对。他们可以从任何两个成对的成功检测中提炼出一个密钥位，用红色箭头表示，这对信道干扰是很鲁棒的。

无需激光器锁频锁相，实现远距离安全成码

在过去的二十年里，基于电信光纤的量子密钥分发网络已经在城域和城际范围内实现。其中一个瓶颈在于密钥率随着传输距离的增加而呈指数式衰减。

此次，潘建伟团队的方案主要集中在通过在两个通信方上创建一个长臂单光子干涉仪来实现更远的距离。管它们在长距离通信中具有优势性能，但两个独立激光器之间的锁相要求在技术上具有挑战性。通过采用最近提出的模式配对思想，团队实现了高性能的量子密钥分发，而无需全局锁相。

实验设置。Alice和Bob的设置是相同的，但他们的编码调制是独立的。连续波激光被一个强度调制器（IM）切成离散的脉冲。然后这些脉冲在两个Sagnac环（SR1，SR2）的帮助下被随机调制成四种强度之一：强脉冲、信号脉冲、诱饵脉冲和真空脉冲。三个相位调制器（PM1、PM2、PM3）用于相位编码和主动相位随机化。编码后的脉冲被一个电气可变光衰减器（EVOA）衰减到单光子水平，并传输到Charlie。在进行干扰测量之前，脉冲的偏振被一个电偏振控制器（EPC）和一个偏振分光器（PBS）调整。最后，信号由超导纳米线单光子探测器（SNSPD）检测。SNSPD1和SNSPD2用于干扰检测，SNSPD3和SNSPD4用于偏振反馈和到达时间反馈。

使用两个独立的现成的激光器，团队还显示了在城市和城市间距离的制度下，比传统的测量设备无关的方案有四倍的密钥速率改进。对于更远的距离，实验团队还通过304公里的商业光纤和407公里的超低损耗光纤将密钥率性能提高了三个数量级。

不同l的X-错误率和对比率。(a)强光脉冲的X-基错误率，可用于量化Alice和Bob对相位参考的估计程度。它表明，在不同的光纤长度和配对间隔下，X-基错误率也是不同的。较大的配对长度间隔会导致较大的相位波动。因此，X-基错误率随着通信距离的增加而增加。最小配对长度选择为63，以避免由后脉冲和检测器死区时间引起的误差。(b)当最大配对长度选择为3000时，落入某些配对长度区间的配对比率随着光纤距离的变化而变化。区间[63, 500)意味着只有两个指数差在63和500之间的点击脉冲被计算在内。其他区间的定义与此类似。对于短的通信距离，像[63, 500)这样的低区间的比率很高，因为平均配对长度很小。而对于长距离来说，像[1500, 2000)这样的高间隔的比率会变大。

模式匹配协议的成码率比较图

MP-QKD在不需激光器锁频锁相的条件下可以实现远距离安全成码，且在城域距离有较高成码率，极大地降低了协议实现难度。这个随时可以实现的高性能方案，有望在未来的城际量子通信网络中得到广泛使用[2]。

参考链接：

[1]https://arxiv.org/abs/2208.05649

[2]http://www.quantumcas.ac.cn/2023/0204/c20525a591070/page.htm

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