影響量子密鑰分發(fā)傳輸距離的首要因素是信噪比。原則上只要充分抑制噪聲就可以提升傳輸距離。但也不能說噪聲為零，就可以傳輸無限遠(yuǎn)，這是因?yàn)榫€路除了噪聲還存在衰減，衰減會(huì)使得密鑰生成率降低，密鑰率太低則無法滿足任何實(shí)際應(yīng)用需要，即使沒有噪聲，也失去了應(yīng)用價(jià)值。

韓正甫

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授

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(xiàng)研究成果。中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)的韓正甫教授及其合作者，近期實(shí)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(jì)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(dāng)前極具挑戰(zhàn)的難點(diǎn)和焦點(diǎn)之一。

那么，在833公里長的光纖上完成量子密鑰分發(fā)，這個(gè)世界紀(jì)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(gè)城市，并且擁有城際骨干線路和具有城域子網(wǎng)。“擁有這樣的分層結(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(dòng)、探測器暗計(jì)數(shù)等。原則上只要充分抑制噪聲就可以提升傳輸距離。“但是也不是說噪聲為零，就可以傳輸無限遠(yuǎn)。”韓正甫進(jìn)一步解釋道，這是因?yàn)榫€路除了噪聲還存在衰減，衰減會(huì)使得密鑰生成率降低，密鑰率太低則無法滿足任何實(shí)際應(yīng)用需要，即使沒有噪聲，也失去了應(yīng)用價(jià)值。因此決定傳輸距離的主要因素是信噪比和衰減。

“我們團(tuán)隊(duì)一直致力于實(shí)現(xiàn)長距離量子密鑰分發(fā)，2012年創(chuàng)造了206公里的紀(jì)錄。2018年的時(shí)候我們在雙場協(xié)議的理論和實(shí)驗(yàn)方面做出了一些關(guān)鍵性突破，實(shí)現(xiàn)了300公里光纖信道的雙場實(shí)驗(yàn)，這是國際上首個(gè)在光纖信道中突破理論極限的實(shí)驗(yàn)。”韓正甫說，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(bǔ)償?shù)葞醉?xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，這為其實(shí)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。”韓正甫告訴記者，目前國際上比較有競爭力的團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)上也實(shí)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(shí)驗(yàn)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(bǔ)償也比較容易。”韓正甫說，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(yuǎn)程異地制備的相干態(tài)，這就對光源提出了非常苛刻的要求。不僅光源，雙場協(xié)議還要求一對相干態(tài)經(jīng)過不同的、遠(yuǎn)程信道傳輸后還可以實(shí)現(xiàn)接近完美的干涉，這意味著信道相位補(bǔ)償也很有挑戰(zhàn)性。

“總的來說，雙場協(xié)議對實(shí)驗(yàn)技術(shù)提出了很高的要求。在理論上，這個(gè)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。”韓正甫說。

經(jīng)過一番認(rèn)真的研究，韓正甫和他的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這個(gè)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(gè)叫做線性界的極限，因此傳輸距離非常受限。“雙場協(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(gè)創(chuàng)新性很強(qiáng)的工作。”韓正甫說。

“但是雙場協(xié)議剛提出時(shí)，其安全性證明并不完善，且實(shí)驗(yàn)上需要全局相位隨機(jī)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(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)也比較復(fù)雜。因此，在理論和實(shí)驗(yàn)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。”韓正甫表示，創(chuàng)新有時(shí)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(yàn)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(tuán)隊(duì)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(jī)化，也就不用相位后選擇，這樣密鑰率可以顯著提高，實(shí)驗(yàn)也實(shí)現(xiàn)大幅度簡化。”韓正甫告訴記者，他們的這個(gè)理論創(chuàng)新，當(dāng)時(shí)令很多同行感到意外。因?yàn)橹皩W(xué)術(shù)界認(rèn)為，全局隨機(jī)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(diǎn)之一。“當(dāng)然我們也注意到，我們的免相位后選擇協(xié)議由于編碼時(shí)完全丟棄了相位隨機(jī)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(shí)適當(dāng)增加幾個(gè)相位，這樣可以進(jìn)一步混淆竊聽者的信息，從而延長安全距離。”韓正甫表示，他們設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(tuán)隊(duì)提出了改進(jìn)的四相位調(diào)制雙場協(xié)議，并進(jìn)一步提升了獨(dú)立光源的鎖相穩(wěn)頻技術(shù)、高帶寬信道相位補(bǔ)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(yán)謹(jǐn)?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(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)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(shí)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(dá)到1000公里左右應(yīng)該是把握較大的。”韓正甫告訴記者，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(shí)現(xiàn)。對于幅員遼闊的中國來說，實(shí)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(jià)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(shí)，未來的洲際量子通信還是需要借助量子中繼。“但是，量子中繼真正實(shí)用可能還需要比較長的時(shí)間，雙場協(xié)議可以解決當(dāng)前的大部分問題。”韓正甫說。