前沿进展 | 高码率光纤信道连续变量测量设备无关量子密钥分发

01 导读

近日，山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室李永民教授团队在连续变量量子密钥分发方向取得新进展，报道了首个基于光纤信道的连续变量测量设备无关量子密钥分发的实验演示，这使得高成码率、低成本的城域测量设备无关量子密钥分发网络成为可能，并为连续变量量子中继打下基础。相关成果以“Experimental demonstration of continuous-variable measurement-device-independent quantum key distribution over optical fiber”为题于2022年4月29日发表在Optica上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

量子密钥分发（QKD）可以实现远距离通信双方之间共享信息论安全的密钥，其安全性由量子力学基本原理保证。连续变量（CV）QKD协议使用低成本、高探测效率的平衡零拍探测器进行量子态的测量，易于与现有光纤通信网络相兼容。此外，高速的相干探测技术结合无限维希尔伯特空间的信息编码，使得CV-QKD在城域范围内可以提供高成码率。然而，现实环境中QKD的实际物理器件与理想模型之间的差异会导致针对性的侧信道攻击。受纠缠交换思想的启发，测量设备无关(MDI)QKD协议被提出，该协议可以消除所有针对QKD探测端的侧信道攻击。相对于离散变量MDI-QKD和双场QKD的突破性实验进展，CV-MDI-QKD仅有一个原理性实验验证被报道，其并不适用于实际的远距离MDI-QKD场景。目前，基于长距离单模光纤的CV-MDI-QKD的实验验证尚未公开报道。

03 研究创新点

远距离CV-MDI-QKD的实现主要面临两个关键技术挑战。其一是在两个远距离独立激光器之间建立准确可靠的相位参考进而实现连续变量贝尔态测量。而独立光源间频率的随机波动以及光纤链路引入的随机相位噪声会极大地降低光场干涉质量。此外，连续变量贝尔态测量不仅要求两个远距离独立激光器之间以单光子水平干涉，而且还要求双零拍探测，即能够实现共轭正交分量的同时精确测量。因此需要对双零拍探测的正交分量之间的相对相位进行精确控制。第二个挑战来自于测量端的探测装置必须具有极高的探测效率。因为不完美的探测效率等效为光路的损耗，会引入真空起伏噪声，它与探测器的电子学噪声一起都会被窃听者完全控制和利用，掩盖对测量端发起的攻击。为了解决上述难题，李永民教授团队提出了实现远距离独立量子态连续变量贝尔态测量的可靠方法。该方法包括光学相位锁定、漂移相位估计、实时相位反馈和正交分量重映射四个部分；同时研制了高量子效率的时域平衡零拍探测器，结合低损耗的自由空间光学元件实现了量子信号的高效率测量。实验系统如图1所示。图1 光纤信道连续变量测量设备无关量子密钥分发实验示意图研究团队通过实时相位反馈，将连续变量贝尔态测量中双零拍探测的正交分量之间的相对相位精确控制在90°，确保始终测得共轭的正交分量，相位锁定标准偏差为±0.4°，如图2所示。图2 连续变量贝尔态测量中双零拍探测的正交分量之间的相对相位在对发送端的数据进行正交分量重映射、位移操作后，他们得到了Alice和Bob归一化的正交分量关联数据，如图3所示。图3  Alice和Bob的归一化正交分量关联图基于上述方法，该团队首次实验演示了基于长距离单模光纤的高成码率CV-MDI-QKD。图4所示为在不同的单模光纤传输距离下获得的密钥率结果。图4 不同传输距离下CV-MDI-QKD的密钥率

04 总结与展望

该研究工作提出了实现远距离独立量子态连续变量贝尔态测量的方法，基于此，首次实验演示了基于长距离光纤信道的高成码率连续变量测量设备无关量子密钥分发。为之后高成码率、低成本的城域测量设备无关量子密钥分发网络的构建提供了一种解决方案。同时，该研究工作发展的相关技术也可以应用于未来的广域量子通信和量子互联网中的量子中继等量子信息处理任务。

山西大学博士生田岩、王普为论文的第一、二作者，李永民教授为论文的通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、山西省1331工程、广东省重点研发项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.450573推荐阅读：

编辑 | 方紫璇

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