833公里長的光纖上完成量子密鑰分發,這個世界紀錄是怎樣創造出來的?

2022-01-25 19:18:07 來源: 科技日報 作者: 吳長鋒

科技日報記者 吳長鋒

1月17日,知名的學術刊物《自然·光子學》在線發表了來自中國科學技術大學的一項研究成果。中國科大郭光燦院士團隊韓正甫教授及其合作者,近期實現了833公里光纖量子密鑰分發,將安全傳輸距離世界紀錄提升了200余公里,向實現千公里陸基量子保密通信邁出重要一步。

量子密鑰分發基于量子物理的基本原理,在信息安全層面上提供了竊聽可感知的密鑰分發手段。光量子是量子信息的天然載體,但線路中不可避免的損耗限制了量子密鑰分發的安全距離,也是制約廣域量子保密通信網絡部署和應用的關鍵因素之一。因此,如何延長光量子密鑰分發直接傳輸的安全距離,成為當前極具挑戰的難點和焦點之一。

那么,在833公里長的光纖上完成量子密鑰分發,這個世界紀錄是怎樣創造出來的?

關鍵“信噪比”,降!降!降!

“光量子密鑰分發直接傳輸的安全距離逐步逼近了1000公里級,這就為未來廣域量子通信網奠定很好基礎。”面對記者的來訪,中國科大韓正甫教授熱心地向記者解釋,將來構建的廣域量子通信網,能夠分布在多個城市的,并且擁有城際骨干線路和具有城域子網。“這樣的分層結構,為較多用戶提供服務的量子通信網絡。”

韓正甫教授告訴記者,影響量子密鑰分發傳輸距離的首要因素是信噪比。噪聲包括信道擾動、探測器暗計數等。原則上只要充分抑制噪聲就可以提升傳輸距離。“但是也不能說噪聲為零,就可以傳輸無限遠。”韓正甫教授進一步解釋道,這是因為線路除了噪聲還存在衰減,衰減會使得密鑰生成率降低,密鑰率太低無法滿足任何實際應用需要,即使沒有噪聲,也失去了應用價值。因此決定傳輸距離的主要因素是信噪比和衰減。

“我們團隊一直致力于實現長距離量子密鑰分發,2012年創造了206公里的記錄。2018年的時候我們在雙場協議的理論和實驗方面做出了一些關鍵性突破,實現了300公里光纖信道的雙場實驗,這是國際上首個在光纖信道中突破理論極限的實驗。”韓正甫教授告訴記者,這些工作中,課題組發展了協議理論分析的方法,突破了光源相位鎖定,信道相位補償等幾項關鍵技術,這為團隊實現833公里奠定了基礎。

“量子通信一直是競爭激烈的國際賽道。”韓正甫教授告訴記者,目前國際上,比較有競爭力的團隊是東芝劍橋研究所,他們是雙場協議原始理論提出者,實驗上也實現了600公里的雙場系統。此外,英國利茲大學,日本東京大學等在理論方面也有不少造詣。

突破“雙場協議”理論

2018年,英國科學家提出的雙場量子密鑰分發協議突破了原有的理論極限,但其理論的完善和實驗技術的開拓極具挑戰性。

“以前的協議一般是單光子協議,雖然也需要用到相干態,但是相干態是本地制備的,通過不等臂干涉,相位補償也比較容易。”韓正甫教授告訴記者,雙場協議不同于之前的協議,該協議主要基于可干涉的遠程異地制備的相干態,這就對光源提出了非常苛刻的要求。不僅光源,雙場協議還要求一對相干態經過不同的、遠程信道傳輸后還可以近完美的干涉,這意味著信道相位補償也很有挑戰性。

“總的來說,雙場協議對實驗技術提出了很高的要求。在理論上,這個協議的安全性不是基于單光子描述的,因此較為復雜,所以理論上怎么證明安全性,怎么分析各種非完美特性也是必須要解決的問題。”韓正甫說。

經過了一番認真的研究,韓正甫教授和他團隊認為,這個協議提出的主要目的是為了突破“密鑰率-信道損耗”極限。國外也有理論物理學家證明,原則上任何端到端的協議都不能突破一個叫做線性界的極限,因此傳輸距離非常受限。“雙場協議把測量裝置挪到了信道中間,基于單光子干涉,從而繞開了線性界的束縛,開辟了新的研究方向,是一個創新性很強的工作。”韓正甫說。

“但是雙場協議剛提出時,其安全性證明并不完善,且實驗上需要全局相位隨機化,并在傳輸后,由用戶篩選出相位匹配的情況才能產生密鑰,這些步驟降低了密鑰率,實驗實現也比較復雜。因此,在理論和實驗上,雙場協議開辟了新的方向,但是也意味著需要解決很多問題。”韓正甫表示,創新有時就先必須從突破固有的理論開始。

郭光燦、韓正甫研究組在2019年首先提出了免相位后選擇的雙場類協議,并首次在300公里光纖信道中驗證了此類協議的可行性。

創立 “四相位調制雙場協議”新理論

“2018年的時候,我們團隊首次在理論上證明,雙場協議的編碼模式,可以不做相位隨機化,也就不用相位后選擇了,這樣密鑰率可以顯著提高,實驗上也大幅度簡化了。”韓正甫告訴記者,他們的這個理論創新,當時令很多同行感到意外。因為之前學術界認為,全局隨機化是安全性的必要保障。

免相位后選擇協議的簡潔性和高密鑰率的優勢,使得該協議成為量子通信領域競相討論熱點之一。“當然我們也注意到,我們的免相位后選擇協議由于編碼時完全丟棄了相位隨機化,極限安全距離有些降低。后來我們想到或許可以在編碼時適當增加幾個相位,這樣進一步混肴竊聽者的信息,從而可以延長安全距離。”韓正甫表示,他們設計出的四相位調制的雙場協議,結合了免相位后選擇協議和后選擇協議的一些特點,在極限情況下有特別的優勢。

經過2年多的探索,郭光燦、韓正甫團隊提出了改進的四相位調制雙場協議,并進一步提升了獨立光源的鎖相穩頻技術、高帶寬信道相位補償技術、高信噪比的單光子探測信號甄別技術等關鍵技術,將光纖雙場量子密鑰分發的安全傳輸距離延長至833公里。

大膽而嚴謹的理論創新突破,為中國量子通信在競爭激烈的國際賽道上又一次贏得優勢。相比于國內外其他研究團隊工作,韓正甫團隊這項成果不僅將光纖量子密鑰分發距離從500多公里大幅提升至833公里,而且將安全碼率提升了50-1000倍,為實現千公里量級陸基廣域量子保密通信網絡邁出重要一步。

“事實上,創新是沒有止境的,未來量子密鑰分發的極限傳輸距離還很難預測。但是基于目前的發展趨勢,達到1000公里左右應該是把握較大的。”韓正甫告訴記者,基于雙場類的協議,千公里的QKD骨干線路可能實現,這對于幅員遼闊的中國來說,實現大范圍國家中心城市之間的量子通信網絡有很大價值。

韓正甫教授也坦言,從根本上來看,雙場協議并不能改變密鑰率隨著距離指數衰減的事實,未來的洲際量子通信還是需要借助量子中繼的。“但是,量子中繼真正實用可能還需要比較長的時間,雙場協議可以解決當前的大部分問題吧。”韓正甫說。

責任編輯: 孫瑩
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