近日，南京大學物理學院、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室、人工微結(jié)構(gòu)科學與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心陳增兵和尹華磊等人在長距離離散調(diào)制連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)理論中取得新進展，提出了一種新型離散四相調(diào)制協(xié)議，能夠允許低成本、高性能、室溫工作的平衡零差探測器進行遠距離、高碼率的量子密鑰分發(fā)。模擬結(jié)果顯示，新協(xié)議較之前的四相調(diào)制零差探測協(xié)議對噪聲的容忍能力提升近一倍，成碼率與最大傳輸距離得到大幅提升，因此有望利用該協(xié)議實現(xiàn)低成本高效率的量子保密通信網(wǎng)絡的搭建。該成果11月12日以研究長文的形式在線發(fā)表在美國物理學會期刊[PRX Quantum 2, 040334 (2021)]上。

量子密鑰分發(fā)技術(shù)是應對量子計算時代信息安全問題的重要技術(shù)手段之一。利用量子物理基本原理，量子密鑰分發(fā)允許通信雙方分享信息理論安全的全同且隨機的隱私密鑰，用于安全加密通信。連續(xù)變量協(xié)議易于繼承高速經(jīng)典相干光通信技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多波長量子信道復用，在短距離具有較高成碼率的優(yōu)勢，已經(jīng)成為量子密鑰分發(fā)的一個重要研究方向。相比于高斯調(diào)制方案，離散調(diào)制可以極大降低量子態(tài)制備的復雜性，簡化后處理，減少計算資源的消耗。近年來，離散調(diào)制協(xié)議取得重要進展，法國科學家實現(xiàn)可抵御集體攻擊的外差四相協(xié)議[PRX 9, 021059 (2019)]；加拿大科學家通過非線性數(shù)值方法獲得與高斯方案碼率相比擬的外差四相協(xié)議[PRX 9, 041012 (2019)]；日本科學家實現(xiàn)在有限密鑰條件下抵御相干攻擊的外差二相協(xié)議[Nature Commun. 12, 252 (2021)]。

零差四相協(xié)議示意圖和碼率模擬曲線

為了進一步推動離散調(diào)制協(xié)議的實用化，陳增兵研究組發(fā)現(xiàn)發(fā)送方在雙方基矢信息比對時可能額外泄露信息，導致零差協(xié)議與外差協(xié)議的性能相比差距甚遠。研究組通過巧妙的設計使得發(fā)送的量子態(tài)同時攜帶兩個被測基矢的信息，接收方可以使用零差探測方式自由選擇一個基矢進行檢測。發(fā)送方由此不必宣稱基矢信息，從而截斷了信息泄露的途徑。在這種情況下，新協(xié)議的額外噪聲容忍能力顯著提高，成碼率以及傳輸距離都大幅度提升。研究組還對離散四相調(diào)制協(xié)議采用外差探測與零差探測的實用性進行了比較。由于量子不確定性關(guān)系，外差探測在理想設備條件下的優(yōu)勢相較于零差探測并不明顯。此外，由于實際裝置的復雜性，外差探測的成碼率優(yōu)勢進一步減小，甚至被反超。新協(xié)議不僅降低了成本、簡化了裝置，還提升了成碼率和最大傳輸距離，變得更加實用。與此同時，它揭示了在現(xiàn)有的各類量子安全協(xié)議中，可能存在的一種不必要的信息泄露方式，對該方式的優(yōu)化有望在設備獨立的量子密鑰分發(fā)研究中得到應用。

論文第一作者為南京大學物理學院博士研究生劉文博，通信作者為南京大學尹華磊副教授和陳增兵教授。該研究工作受到國家自然科學基金、廣東省重點領域研發(fā)計劃、中央高�；�本科研業(yè)務費的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.2.040334