記(ji)者從中國(guo)科大獲悉，該校郭光燦院士團隊首先(xian)在理(li)論上提出(chu)了(le)免相位后選擇的(de)孿生場量子密(mi)鑰分發(fa)(fa)（QKD）協議，為無中繼長距離城際量子密(mi)鑰分配(pei)網絡建(jian)設邁出(chu)了(le)關鍵的(de)一步。該工(gong)作的(de)理(li)論和(he)實驗成(cheng)果日前分別發(fa)(fa)表在權威期(qi)刊(kan)《物理(li)應用評(ping)論》和(he)《物理(li)評(ping)論X》上。
QKD使得(de)無(wu)條(tiao)件安(an)全的(de)保(bao)密(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)通信成(cheng)為可(ke)能。然(ran)而(er)，實際QKD系(xi)統受信道損耗的(de)制約，其密(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)鑰(yao)生(sheng)(sheng)成(cheng)率(lv)隨(sui)著信道長度的(de)增加而(er)顯(xian)(xian)著降(jiang)低。量(liang)子密(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)碼(ma)理論學家們證明，密(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)鑰(yao)生(sheng)(sheng)成(cheng)率(lv)隨(sui)著信道傳(chuan)輸效(xiao)率(lv)的(de)下(xia)降(jiang)線性減小。2018年英(ying)國科學家提出了(le)(le)孿生(sheng)(sheng)場（TF）QKD協議，基于該協議利用單(dan)光子響(xiang)應就可(ke)以產(chan)生(sheng)(sheng)密(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)鑰(yao)，其密(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)鑰(yao)生(sheng)(sheng)成(cheng)率(lv)隨(sui)著信道效(xiao)率(lv)平方(fang)根(gen)下(xia)降(jiang)而(er)減小，在(zai)長距離信道情況下(xia)其密(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)鑰(yao)生(sheng)(sheng)成(cheng)率(lv)有(you)顯(xian)(xian)著優勢。但由(you)于其編碼(ma)模式必(bi)須進行相位隨(sui)機化和后選擇，顯(xian)(xian)著降(jiang)低了(le)(le)系(xi)統密(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)鑰(yao)率(lv)，增加了(le)(le)實現的(de)復雜程度。
經過深入研(yan)究(jiu)，郭光(guang)(guang)(guang)燦院士團隊(dui)提(ti)(ti)出了(le)(le)一種新型TF-QKD協(xie)議，并給出了(le)(le)完備(bei)的(de)安全性證明。新協(xie)議的(de)編(bian)碼模(mo)式不需要進行相(xiang)位隨機(ji)化和(he)后選擇，在(zai)(zai)顯(xian)著(zhu)提(ti)(ti)升協(xie)議效率的(de)同時還降低(di)了(le)(le)實現(xian)(xian)的(de)復雜(za)度，并且(qie)可(ke)以在(zai)(zai)更短(duan)的(de)信道距離下突破(po)線(xian)性界(jie)(jie)，密(mi)鑰(yao)生成率得(de)以顯(xian)著(zhu)提(ti)(ti)高。科研(yan)人員首先(xian)在(zai)(zai)基于光(guang)(guang)(guang)學鎖相(xiang)環和(he)反饋控制(zhi)方案上取得(de)突破(po)，實現(xian)(xian)了(le)(le)兩臺獨立(li)激光(guang)(guang)(guang)器之間的(de)穩定(ding)一階(jie)干(gan)涉(she)，解決了(le)(le)相(xiang)干(gan)光(guang)(guang)(guang)場制(zhi)備(bei)的(de)技術(shu)難題。接(jie)著(zhu)，他們又設(she)計并實現(xian)(xian)了(le)(le)遠程光(guang)(guang)(guang)纖信道快速(su)相(xiang)位補償控制(zhi)技術(shu)，得(de)到了(le)(le)臂(bei)長(chang)150公里的(de)一階(jie)光(guang)(guang)(guang)學干(gan)涉(she)。最終，研(yan)究(jiu)組在(zai)(zai)300公里光(guang)(guang)(guang)纖信道上實現(xian)(xian)了(le)(le)TF-QKD原理驗證系(xi)統，其密(mi)鑰(yao)生成率達到了(le)(le)2kbps，突破(po)了(le)(le)線(xian)性界(jie)(jie)。這一密(mi)鑰(yao)率約為線(xian)性界(jie)(jie)的(de)3倍。
該成果驗證(zheng)了在無中繼條(tiao)件下(xia)，遠(yuan)距(ju)離(li)、跨城際(ji)高密鑰率(lv)傳輸和組網(wang)的可(ke)行性，在量(liang)子(zi)中繼短期難以實用的情況下(xia)，可(ke)望(wang)在大(da)范圍、遠(yuan)距(ju)離(li)量(liang)子(zi)保(bao)密通信網(wang)絡(luo)應(ying)用方面取得突破。記者吳(wu)長鋒