量子密钥分发新纪录让城际量子通信网络更近一步

影响量子密钥分发传输距离的首要因素是信噪比。原则上，只要充分抑制噪声，传输距离是可以提高的。但是，不能说噪音为零，就可以传输无限远。这是因为除了噪声，线路还有衰减，会降低密钥生成率。如果键速率太低，就不能满足任何实际应用需求，即使没有噪声，也就失去了应用价值。

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中国科学技术大学教授

近日，知名学术期刊《自然光子学》在线发表了中国科学技术大学(以下简称中科大)的一项研究成果。中国科大郭光灿院士韩教授及其合作者近日实现了833公里光纤量子密钥分发，将量子密钥分发的安全传输距离比世界纪录增加了200多公里，向实现千公里陆基量子保密通信迈出了重要一步。

量子密钥分发基于量子物理的基本原理，在信息安全的层面上提供了一种可以被窃听感知的密钥分发方式。光量子是量子信息的天然载体，但线路中不可避免的损耗限制了量子密钥分发的安全距离，这也是制约广域量子安全通信网络部署和应用的关键因素之一。因此，如何延长光量子密钥分发和直接传输的安全距离是目前最具挑战性的难点和焦点之一。

那么，833公里光纤上量子密钥分发的世界纪录是如何创造的呢？

信噪比和衰减决定了传输距离。

“光量子密钥分发直接传输的安全距离已经逼近1000公里，为未来的广域量子通信网络奠定了良好的基础。”韩向记者解释，未来要建设的广域量子通信网络可以分布在多个城市，有城际骨干线路，也有城域子网。"具有这种分层结构的量子通信网络可以为更多的用户提供服务."

韩告诉记者，影响量子密钥分发传输距离的首要因素是信噪比。包括噪声通道干扰、探测器暗计数等。原则上，只要充分抑制噪声，传输距离是可以提高的。“但这并不意味着如果噪音为零，就可以传输到无限远。”韩进一步解释说，这是因为线路除噪声外还有衰减，这会降低密钥生成率。如果键速率太低，就不能满足任何实际应用需求，即使没有噪声，也失去了应用价值。所以决定传输距离的主要因素是信噪比和衰减。

“我们团队一直致力于实现长距离量子密钥分发，2012年创造了206公里的纪录。2018年，我们在双场协议的理论和实验上取得了一些关键突破，实现了300km光纤通道的双场实验，这是国际上第一个在光纤通道上突破理论极限的实验。”韩说，在这些工作中，课题组发展了协议理论分析的方法，突破了光源锁相、信道相位补偿等几项关键技术，为833km光纤量子密钥分发的实现奠定了基础。

“量子通信一直是竞争激烈的国际赛道。”韩告诉记者，目前国际上有竞争力的团队是位于英国的东芝剑桥研究所，他们是双场协议最初的理论支持者，也已经在实验上实现了600公里的双场系统。此外，英国利兹大学和日本东京大学在理论上也取得了一些成果。

突破两域协议理论

2018年，英国科学家提出的双场量子密钥分发协议突破了原有的理论极限，理论的完善和实验技术的发展极具挑战性。

“以前的协议一般都是单光子协议。虽然也需要相干态，但相干态是局部制备的，通过不等臂干涉更容易进行相位补偿。”韩说，两场协议不同于以前的协议，以前的协议主要是基于远程、异地制备干涉相干态，这对光源提出了非常严格的要求。不仅是光源，双场协议还要求一对相干态经过不同的、长距离的信道传输后能够达到近乎完美的干涉，这就意味着信道相位补偿也非常具有挑战性。

“总的来说，双域协议对实验技术提出了很高的要求。从理论上讲，这个协议的安全性不是基于单光子描述的，所以更加复杂，所以如何在理论上证明安全性，如何分析各种不完美特性也是必须解决的问题。”韩对说：

经过仔细研究，韩及其团队认为该协议的主要目的是突破“关键速率-信道丢失”的限制。国外一些理论物理学家已经证明，原则上没有一个端到端的协议可以突破一个叫做线性界的极限，所以传输距离是非常有限的。“双场协议将测量装置移至通道中间，基于单光子干涉，从而绕过线性束缚的约束，开辟了新的研究方向，是一项极具创新性的工作。”韩对说：

“然而，双域协议最初提出时，其安全性证明并不完善，实验需要全局相位随机化，传输后由用户筛选出相位匹配来生成密钥。这些步骤降低了密钥速率，并且实验实现是复杂的。因此，从理论上和实验上，两域协议开辟了一个新的方向，但也意味着许多问题需要解决。”韩说，有时创新必须从突破固有理论开始。

2019年，郭光灿和韩研究组首次提出了无相位后选的双场协议，并首次在300 km光纤信道中验证了该类协议的可行性。

创立了四相调制双场协议的新理论

“2018年，我们团队首次从理论上证明了双场协议的编码方式可以避免相位随机化和后相位选择，从而可以显著提高密钥率，大大简化实验。”韩告诉记者，他们的理论创新让当时的许多同事感到惊讶。因为学术界认为全局随机化是安全性的必要保证。

无相位后选协议的简单性和高密钥比使其成为量子通信领域的研究热点之一。“当然，我们也注意到，我们的无相位后选协议完全放弃了编码时的相位随机化，极限安全距离有所降低。后来我们想，或许可以在编码时适当增加几个相位，可以进一步混淆窃听者的信息，从而延长安全距离。”韩说，他们设计出的四相位调制的双场协议，结合了免相位后选择协议和后选择协议的一些特点，在极限情况下有特别的优势。

经过2年多的探索，郭光灿、韩正甫团队提出了改进的四相位调制双场协议，并进一步提升了独立光源的锁相稳频技术、高带宽信道相位补偿技术、高信噪比的单光子探测信号甄别技术等关键技术，将光纤双场量子密钥分发的安全传输距离延长至833公里。

大胆而严谨的理论创新，为中国量子通信在竞争激烈的国际赛道上又一次赢得优势。韩正甫团队的这项成果不仅将光纤量子密钥分发距离从500多公里大幅提升至833公里，而且将安全码率提升了50—1000倍，在实现千公里量级陆基广域量子保密通信网络的道路上迈出重要一步。

“创新没有止境，未来量子密钥分发的极限传输距离还很难预测。但是基于目前的发展趋势，达到1000公里左右应该是把握较大的。”韩正甫告诉记者，基于双场类的协议，千公里的量子密钥分发（QKD）骨干线路可能实现。对于幅员辽阔的中国来说，实现大范围国家中心城市之间的量子通信网络有很大价值。

韩正甫也坦言，从根本上看，双场协议并不能改变密钥率随着距离指数衰减的事实，未来的洲际量子通信还是需要借助量子中继。“但是，量子中继真正实用可能还需要比较长的时间，双场协议可以解决当前的大部分问题。”韩正甫说。