吳長鋒

近日，知名學術(shù)期刊《自然·光子學》在線發(fā)表了來自中國科學技術(shù)大學（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。

“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)?！表n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用需要，即使沒有噪聲，也失去了應用價值。因此決定傳輸距離的主要因素是信噪比和衰減。

2018年，英國科學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。

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。

“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。”韓正甫告訴記者，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。”韓正甫表示，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測。但是基于目前的發(fā)展趨勢，達到1000公里左右應該是把握較大的?！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。