記者(zhe)從中(zhong)國科大獲悉，該(gai)(gai)校郭光燦院(yuan)士團隊首先在理(li)論(lun)上(shang)提出(chu)了(le)免相位(wei)后選擇的孿生場量子密(mi)鑰分(fen)發（QKD）協(xie)議，為(wei)無中(zhong)繼長距離城際量子密(mi)鑰分(fen)配網絡建設邁出(chu)了(le)關鍵的一步。該(gai)(gai)工作的理(li)論(lun)和(he)實驗成果日(ri)前分(fen)別發表在權威期刊(kan)《物理(li)應用評(ping)論(lun)》和(he)《物理(li)評(ping)論(lun)X》上(shang)。
QKD使得(de)無(wu)條件(jian)安全的保密(mi)(mi)通(tong)信(xin)成(cheng)(cheng)為可能。然(ran)而，實際QKD系統(tong)(tong)受信(xin)道(dao)(dao)(dao)損耗的制約，其(qi)密(mi)(mi)鑰(yao)(yao)生(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)率(lv)隨著(zhu)(zhu)信(xin)道(dao)(dao)(dao)長(chang)度的增(zeng)加而顯(xian)(xian)著(zhu)(zhu)降低。量子密(mi)(mi)碼(ma)理論學(xue)家們證明，密(mi)(mi)鑰(yao)(yao)生(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)率(lv)隨著(zhu)(zhu)信(xin)道(dao)(dao)(dao)傳輸(shu)效(xiao)率(lv)的下(xia)降線性減(jian)小(xiao)。2018年英(ying)國科學(xue)家提出了(le)(le)孿生(sheng)(sheng)場（TF）QKD協(xie)議，基于(yu)該(gai)協(xie)議利用單光(guang)子響應就(jiu)可以產生(sheng)(sheng)密(mi)(mi)鑰(yao)(yao)，其(qi)密(mi)(mi)鑰(yao)(yao)生(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)率(lv)隨著(zhu)(zhu)信(xin)道(dao)(dao)(dao)效(xiao)率(lv)平方根(gen)下(xia)降而減(jian)小(xiao)，在(zai)長(chang)距離(li)信(xin)道(dao)(dao)(dao)情況下(xia)其(qi)密(mi)(mi)鑰(yao)(yao)生(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)率(lv)有顯(xian)(xian)著(zhu)(zhu)優(you)勢。但由于(yu)其(qi)編碼(ma)模式(shi)必(bi)須進行(xing)相位隨機化(hua)和后選擇，顯(xian)(xian)著(zhu)(zhu)降低了(le)(le)系統(tong)(tong)密(mi)(mi)鑰(yao)(yao)率(lv)，增(zeng)加了(le)(le)實現(xian)的復雜(za)程(cheng)度。
經過深入研究，郭光(guang)燦院士團隊提(ti)出了(le)一(yi)種新型TF-QKD協議(yi)，并(bing)(bing)給(gei)出了(le)完備(bei)的(de)安全性(xing)證明。新協議(yi)的(de)編碼模式不(bu)需要(yao)進(jin)行(xing)相(xiang)位隨機化和后選擇，在顯著(zhu)提(ti)升協議(yi)效(xiao)率的(de)同時(shi)還降低了(le)實(shi)現(xian)的(de)復雜度，并(bing)(bing)且可以(yi)在更(geng)短的(de)信道(dao)距離下(xia)突破線(xian)性(xing)界，密鑰(yao)(yao)生成率得以(yi)顯著(zhu)提(ti)高。科研人員首先在基于(yu)光(guang)學鎖相(xiang)環(huan)和反饋控制方案上(shang)取(qu)得突破，實(shi)現(xian)了(le)兩臺獨立激光(guang)器之(zhi)間的(de)穩定一(yi)階干(gan)涉，解決了(le)相(xiang)干(gan)光(guang)場(chang)制備(bei)的(de)技術難題。接著(zhu)，他們又設計并(bing)(bing)實(shi)現(xian)了(le)遠程光(guang)纖信道(dao)快速相(xiang)位補償(chang)控制技術，得到(dao)了(le)臂長(chang)150公里的(de)一(yi)階光(guang)學干(gan)涉。最終，研究組在300公里光(guang)纖信道(dao)上(shang)實(shi)現(xian)了(le)TF-QKD原(yuan)理(li)驗證系統，其密鑰(yao)(yao)生成率達到(dao)了(le)2kbps，突破了(le)線(xian)性(xing)界。這一(yi)密鑰(yao)(yao)率約為線(xian)性(xing)界的(de)3倍。
該成果驗證了在無中繼(ji)條件(jian)下，遠(yuan)距(ju)離(li)、跨城際高密(mi)鑰率傳輸和組網的(de)可(ke)行(xing)性，在量子(zi)中繼(ji)短期難(nan)以實(shi)用(yong)的(de)情況下，可(ke)望在大范圍(wei)、遠(yuan)距(ju)離(li)量子(zi)保密(mi)通信網絡(luo)應(ying)用(yong)方面取得(de)突破。記者吳長鋒