ICC訊 近日,知名學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》在線發(fā)表了來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(以下簡稱中科大)的一項研究成果。中科大郭光燦院士團隊的韓正甫教授及其合作者,近期實現(xiàn)了833公里光纖量子密鑰分發(fā),將量子密鑰分發(fā)安全傳輸距離世界紀錄提升了200余公里,向?qū)崿F(xiàn)千公里陸基量子保密通信邁出重要一步。
量子密鑰分發(fā)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(fā)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(fā)的安全距離,這也是制約廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)部署和應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。因此,如何延長光量子密鑰分發(fā)直接傳輸?shù)陌踩嚯x,是當前極具挑戰(zhàn)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(fā),這個世界紀錄是怎樣創(chuàng)造出來的?
信噪比和衰減決定傳輸距離
“光量子密鑰分發(fā)直接傳輸?shù)陌踩嚯x逐步逼近1000公里級,為未來廣域量子通信網(wǎng)奠定了很好的基礎(chǔ)。”韓正甫向記者解釋,將來構(gòu)建的廣域量子通信網(wǎng),能夠分布在多個城市,并且擁有城際骨干線路和具有城域子網(wǎng)?!皳碛羞@樣的分層結(jié)構(gòu)的量子通信網(wǎng)絡(luò),可為較多用戶提供服務(wù)?!?
韓正甫告訴記者,影響量子密鑰分發(fā)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(shù)等。原則上只要充分抑制噪聲就可以提升傳輸距離?!暗且膊皇钦f噪聲為零,就可以傳輸無限遠?!表n正甫進一步解釋道,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,密鑰率太低則無法滿足任何實際應(yīng)用需要,即使沒有噪聲,也失去了應(yīng)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(xiàn)長距離量子密鑰分發(fā),2012年創(chuàng)造了206公里的紀錄。2018年的時候我們在雙場協(xié)議的理論和實驗方面做出了一些關(guān)鍵性突破,實現(xiàn)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?!表n正甫說,這些工作中,課題組發(fā)展了協(xié)議理論分析的方法,突破了光源相位鎖定、信道相位補償?shù)葞醉楆P(guān)鍵技術(shù),這為其實現(xiàn)833公里光纖量子密鑰分發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
“量子通信一直是競爭激烈的國際賽道?!表n正甫告訴記者,目前國際上比較有競爭力的團隊是位于英國的東芝劍橋研究所,他們是雙場協(xié)議原始理論提出者,實驗上也實現(xiàn)了600公里的雙場系統(tǒng)。此外,英國利茲大學(xué)、日本東京大學(xué)等在理論方面也有所造詣。
突破雙場協(xié)議理論
2018年,英國科學(xué)家提出的雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議突破了原有的理論極限,而且其對理論的完善和對實驗技術(shù)的開拓極具挑戰(zhàn)性。
“以前的協(xié)議一般是單光子協(xié)議,雖然也需要用到相干態(tài),但是相干態(tài)是本地制備的,通過不等臂干涉,相位補償也比較容易?!表n正甫說,雙場協(xié)議不同于之前的協(xié)議,該協(xié)議主要基于可干涉的遠程異地制備的相干態(tài),這就對光源提出了非??量痰囊蟆2粌H光源,雙場協(xié)議還要求一對相干態(tài)經(jīng)過不同的、遠程信道傳輸后還可以實現(xiàn)接近完美的干涉,這意味著信道相位補償也很有挑戰(zhàn)性。
“總的來說,雙場協(xié)議對實驗技術(shù)提出了很高的要求。在理論上,這個協(xié)議的安全性不是基于單光子描述的,因此較為復(fù)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?!表n正甫說。
經(jīng)過一番認真的研究,韓正甫和他的團隊認為,這個協(xié)議提出的主要目的是突破“密鑰率—信道損耗”極限。國外也有理論物理學(xué)家證明,原則上任何端到端的協(xié)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?!半p場協(xié)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(chuàng)新性很強的工作?!表n正甫說。
“但是雙場協(xié)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(chǎn)生密鑰,這些步驟降低了密鑰率,實驗實現(xiàn)也比較復(fù)雜。因此,在理論和實驗上,雙場協(xié)議開辟了新的方向,但是也意味著需要解決很多問題?!表n正甫表示,創(chuàng)新有時必須先從突破固有理論開始。
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(xié)議,并首次在300公里光纖信道中驗證了此類協(xié)議的可行性。
創(chuàng)立四相位調(diào)制雙場協(xié)議新理論
“2018年,我們團隊首次在理論上證明,雙場協(xié)議的編碼模式,可以不做相位隨機化,也就不用相位后選擇,這樣密鑰率可以顯著提高,實驗也實現(xiàn)大幅度簡化?!表n正甫告訴記者,他們的這個理論創(chuàng)新,當時令很多同行感到意外。因為之前學(xué)術(shù)界認為,全局隨機化是安全性的必要保障。
免相位后選擇協(xié)議的簡潔性和高密鑰率的優(yōu)勢,使得該協(xié)議成為量子通信領(lǐng)域競相討論的熱點之一。“當然我們也注意到,我們的免相位后選擇協(xié)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,這樣可以進一步混淆竊聽者的信息,從而延長安全距離?!表n正甫表示,他們設(shè)計出的四相位調(diào)制的雙場協(xié)議,結(jié)合了免相位后選擇協(xié)議和后選擇協(xié)議的一些特點,在極限情況下有特別的優(yōu)勢。
經(jīng)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(diào)制雙場協(xié)議,并進一步提升了獨立光源的鎖相穩(wěn)頻技術(shù)、高帶寬信道相位補償技術(shù)、高信噪比的單光子探測信號甄別技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),將光纖雙場量子密鑰分發(fā)的安全傳輸距離延長至833公里。
大膽而嚴謹?shù)睦碚搫?chuàng)新,為中國量子通信在競爭激烈的國際賽道上又一次贏得優(yōu)勢。韓正甫團隊的這項成果不僅將光纖量子密鑰分發(fā)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,在實現(xiàn)千公里量級陸基廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的道路上邁出重要一步。
“創(chuàng)新沒有止境,未來量子密鑰分發(fā)的極限傳輸距離還很難預(yù)測。但是基于目前的發(fā)展趨勢,達到1000公里左右應(yīng)該是把握較大的?!表n正甫告訴記者,基于雙場類的協(xié)議,千公里的量子密鑰分發(fā)(QKD)骨干線路可能實現(xiàn)。對于幅員遼闊的中國來說,實現(xiàn)大范圍國家中心城市之間的量子通信網(wǎng)絡(luò)有很大價值。
韓正甫也坦言,從根本上看,雙場協(xié)議并不能改變密鑰率隨著距離指數(shù)衰減的事實,未來的洲際量子通信還是需要借助量子中繼?!暗牵?A href="http://m.huaquanjd.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e9%87%8f%e5%ad%90&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">量子中繼真正實用可能還需要比較長的時間,雙場協(xié)議可以解決當前的大部分問題?!表n正甫說。