中國科大實現國際最長距離的實用協議量子密碼分配

　　近日，中國科學技術大學教授、中國科學院院士郭光燦領導的中國科學院量子信息重點實驗室完成了國際上最長安全傳輸距離的環回差分相位（RRDPS）協議實用化量子密鑰分配實驗。該實驗室韓正甫、陳巍等首次基于主動切換技術實現了安全傳輸距離超過90公里的RRDPS協議量子密鑰分配實驗，創下了世界紀錄，其結果充分驗證了這一新型協議的實用化潛力。該研究成果發表在11月2日出版的《自然·光子學》上。論文的共同第一作者是實驗室副研究員王雙、副教授銀振強。

　　量子密鑰分配在理論上可以基于量子物理的基本原理，實現信息論意義上無條件安全的密鑰協商。但是，實際系統中存在的非理想特性所造成的安全漏洞，有可能大大削弱量子密鑰分配協議的保障能力。在現有的量子密鑰分配協議中，收發雙方均需要對協議的核心安全參數進行統計和監測，以應對實際環境等因素對系統造成的擾動。這在增加系統復雜度的同時，會降低系統的效率，并有可能引入額外的安全性問題。

　　RRDPS協議是T. Sasaki等人在2014年提出的新型協議[Nature 509, 475-478 (2014)]，該方案在協議層面上確保實際物理系統的安全性，而不是以往僅在實際系統本身尋找解決安全性的途徑。該協議在多種可能的延遲量之中隨機選擇一個值將光脈沖序列進行延遲，并測量前后脈沖之間的干涉結果，無需監測環境對光子信號參數造成的擾動，即可評估竊聽者獲取的信息量。但是，由于該協議的優勢在延時量較長時才能得到充分的體現，且需要保持多種延時量和長延時條件下的干涉測量穩定性，因而在技術實現上具有較大難度。

　　為了充分驗證這一新型協議的實用化前景，韓正甫小組發展了自主提出的“法拉第—邁克爾遜”型干涉儀，通過改進制作工藝，顯著提高了其對稱精度，并采用高速主動光學切換技術和主動相位補償技術，實現了可在1-64個延遲比特位中進行主動選擇的高穩定、多比特延時干涉儀，解決了這一協議的核心技術難點。課題組通過對實驗使用的干涉儀進行結構優化，大大降低了插入損耗，并結合高速、低噪聲單光子探測技術，實現了工作頻率達到1GHz、脈沖分組長度達到了65種的RRDPS實驗系統。該系統在考慮了密鑰有限長效應等實際問題的條件下，實現了安全參數達到3×2-80，最長距離超過90公里的量子密鑰分配。這是第一個主動調制的RRDPS實驗，也是國際上傳輸距離最遠的RRDPS協議實驗。審稿人認為，這是此類協議的實驗工作中最為出色和令人印象深刻的結果。實驗系統所用的器件均為目前的商用器件：使用InGaAs而非超導單光子探測器實現了具有實用價值的長距離密鑰傳輸；使用的干涉儀具有優秀的可擴展性，可以在僅增加2.4dB損耗的條件下，將測量基的選擇增加到1024種。以上核心技術的應用，使實驗結果充分驗證了RRDPS協議的實用價值，為推進量子密鑰分配技術的實用化進程提供了新的技術途徑。

　　該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和教育部的資助。