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南京大学提出量子密钥分发新协议,提升城际传输距离与密钥率

近期,南京大学团队提出异步测量设备无关量子密钥分发协议,打破了码率-距离限制,将城际传输密钥率提高多个数量级,大幅提升传输距离。

图片来自南京大学物理学院

2012年,测量设备无关量子密钥分发(MDIQKD)通过引入一个不可信的中间节点来进行贝尔态测量,可以关闭量子网络中的所有探测端漏洞。由于其出色的实际安全性,易于在星型网络部署,以及成熟的通用技术,MDIQKD被视为未来量子网络中一个重要且高效的架构模块。然而MDIQKD需要两个光子同时到达中间节点干涉,其密钥率受到了无中继量子信道码率-距离限制,因此难以应用到实际的城际量子网络中。2018年,双场量子密钥分发(TFQKD)利用远距离单光子干涉,打破了无中继量子信道码率-距离限制,极大提升城际量子通信安全密钥率。使用最先进的技术,中国已实现了超过830公里光纤传输的TFQKD实验。然而,为了补偿远距离量子信道相位的快速漂移,以及实现远距离独立激光器的相位锁定,在实验中必须使用复杂且昂贵的相位锁定和跟踪技术,极大增加了实验复杂性和商业成本,且不严格地实施可能导致安全风险。因此,提出一个新型协议,能够同时集成TFQKD优异的城际码率性能和MDIQKD成熟通用技术,成为一项艰巨但重要的任务。此外,量子密钥分发网络的普适限制理论指出,双光子干涉的双轨(dual-rail)MDIQKD协议无法打破无中继量子信道码率-距离限制。此次,南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心尹华磊、陈增兵课题组受到对偶纠缠的启发,利用后匹配方法巧妙地将同步时间编码转化为异步时间编码,设计出了一种异步MDIQKD协议。团队利用全同粒子的对偶纠缠特性,将同步时间相位编码的测量设备无关量子密钥分发中两个连续时间箱解耦,通过后匹配方法提出了异步协议。并且,采用通用的MDIQKD技术,将该异步协议通过经典后处理实现时间复用,从而构建双光子贝尔态,将城际传输密钥率提高多个数量级,大幅提升了传输距离,建立起沟通MDIQKD与TFQKD之间的桥梁。相关成果近日发表在美国物理学会期刊《物理学评论X辑-量子》(PRX Quantum)。

图片来自《物理学评论X辑-量子》(PRX Quantum)

在具体实验中,前述团队通过随机匹配两个探测到的相位相关联的时间箱,以建立异步双光子贝尔态,从而让双光子干涉的双轨MDIQKD协议打破无中继量子信道码率-距离限制,将理论上的不可能变为可能。此外,由于每个时刻之间的相位噪声差在较短的时间间隔内近似相等,可以在不使用相位跟踪和锁定技术情况下,对两个与相位相关的时间箱进行后匹配,大幅降低了实验难度。由于无论选择何种非对称源参数,每个用户的单光子对成分密度矩阵在时间和相位基矢下总是相同的,因此新协议适用于用户可以动态访问而不考虑已有用户源参数的量子网络。

a为移除相位跟踪技术,b为同时移除相位跟踪和相位锁定技术,图片来自论文

实验仿真结果表明,对于1 GHz(吉赫)系统,前述协议在无相位跟踪的情况下传输距离可达450公里;同时去除相位跟踪和锁定技术后,协议在有限密钥效应下,仍可以在270公里距离上打破无中继量子信道码率-距离限制。在城际距离,协议的密钥率与原始MDIQKD协议相比,提高了数万倍。例如,传输300公里其密钥率可达0.15 Mbit/s(兆比特每秒),足以执行包括音频、视频的一次一密等各种任务。与此同时,由于新协议无需相位跟踪,其单光子探测器的所有探测计数容量都可以用于量子信号测量,使其在城际距离上能实现比使用同频强参考光相位跟踪技术的TFQKD协议高一个数量级的密钥率。前述研究成果突破了“双轨”测量设备无关量子密钥分发的码率-距离限制,有助于大规模的量子通信网络。审稿人对此评价,“这是一个连接测量设备无关和双场量子密钥分发的巧妙方法”,“这项工作为TFQKD系统的改进提供了一个重要建议”。论文共同第一作者为南京大学物理学院硕士研究生谢元梅和陆玉硕,通信作者为南京大学副教授尹华磊和教授陈增兵。研究工作获得国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费、南京江北新区重点研发计划等支持。

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