近日，中國科學技術大學郭光燦院士團隊在遠程量子密鑰分發方面取得重要進展，該工作的理論成果發表在應用物理權威期刊Physical Review Applied 11,034053 (2019)，實驗成果發表在最新一期的物理學權威期刊Physical Review X 9, 021046 (2019)，第一作者為中科大本科生崔超涵。
該團隊成員陳巍、銀振強、王雙、韓正甫等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(QKD)協議，該協議顯著降低了孿生場類協議的實現難度。基于這一協議，該研究組突破了孿生光場制備和長距離光纖信道相位補償兩項技術，在300公里光纖上，首次完成了不受無中繼QKD協議密鑰生成率上界（線性界）限制的高密鑰生成率實驗，為無中繼長距離城際量子密鑰分配網絡邁出了關鍵的一步。
該校郭光燦院士團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（QKD）協議，為無中繼長距離城際量子密鑰分配網絡建設邁出了關鍵的一步。該工作的理論和實驗成果日前分別發表在權威期刊《物理應用評論》和《物理評論X》上。
量子密鑰分發（quantum key distribution，簡稱QKD），就是利用量子力學特性來保證通信安全性。此種方法能使通信的雙方能夠產生并分享一個隨機的、安全的密鑰，來加密和解密消息。
量子秘鑰確保通信安全
QKD利用量子力學原理，為異地通信雙方協商出信息論安全的密鑰，從而使得無條件安全的保密通信成為可能，受到了學術界和產業界的廣泛關注。然而，實際QKD系統受信道損耗的制約，其密鑰生成率隨著信道長度的增加而顯著降低。量子密碼理論學家們證明，任何無中繼的QKD協議其密鑰生成率都不能突破線性界(Nat. Commun. 8, 15043, 2017)，即密鑰生成率隨著信道傳輸效率的下降線性減小。2018年5月，英國東芝劍橋研究所的科學家提出了孿生場(TF) QKD協議(Nature 557, 400, 2018)，該協議基于相干態直接干涉，利用單光子響應就可以產生密鑰，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勢，且其安全性是測量設備無關的。但由于其編碼模式必須進行相位隨機化和后選擇，顯著降低了系統密鑰率，增加了實現的復雜程度。
量子計算編碼內核
上述協議的編碼模式必須進行相位隨機化和后選擇，這兩項要求顯著降低了系統密鑰率，增加了實現的復雜度。韓正甫研究組經過深入研究，提出了一種新型TF-QKD協議，并給出了完備的安全性證明。新協議的編碼模式不需要進行相位隨機化和后選擇，在顯著提升了協議效率的同時還降低實現的復雜度，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。研究組首先在基于光學鎖相環和反饋控制方案上取得突破，實現了兩臺獨立激光器之間的穩定一階干涉，解決了相干光場制備的技術難題。接著，研究組又設計并實現了遠程光纖信道快速相位補償控制技術，得到了臂長150公里的一階光學干涉。最終，研究組在300公里光纖信道上實現了TF-QKD原理驗證系統，其密鑰生成率達到了2kbps，突破了線性界。這一密鑰率約為線性界的3倍。
該工作驗證了在無中繼條件下，遠距離、跨城際高密鑰率傳輸和組網的可行性，在量子中繼短期難以實用的情況下，TF-QKD協議可望在大范圍、遠距離量子保密通信網絡應用方面取得突破。該協議理論文章的第一作者為中科大本科生崔超涵，通信作者為銀振強教授和王雙教授；實驗論文的共同第一作者是王雙教授和何德勇實驗師，通信作者為銀振強教授和陳巍副教授。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和安徽省的資助。
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