馬雄峰研究組提出新型突破傳輸距離極限的相位匹配量子密鑰分發(fā)協(xié)議
馬雄峰研究組提出新型突破傳輸距離極限的相位匹配量子密鑰分發(fā)協(xié)議
2018年08月30日 瀏覽次數(shù): 0
近日，清華大學(xué)交叉信息研究院馬雄峰副教授及其博士生曾培和周泓伊提出了一種新型相位匹配量子密鑰分發(fā)協(xié)議并進行了嚴(yán)格的安全性分析，該協(xié)議能夠在現(xiàn)有裝置下顯著提高量子密鑰的生成速率，特別在遠(yuǎn)距離傳輸時該方案可以突破其他量子密鑰分發(fā)協(xié)議所面臨的傳輸距離極限。相關(guān)成果于8月16日發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評論X》上。
量子密鑰分發(fā)（Quantum key distribution）利用量子物理基本原理，可為通信雙方產(chǎn)生理論上無條件安全的隨機密鑰，保證了信息傳輸過程中的安全性。自上個世紀(jì)九十年代以來，經(jīng)過多年的理論及實驗技術(shù)的發(fā)展，該方向特別是基于光纖信道的量子密鑰分發(fā)當(dāng)前已經(jīng)進入到了實用化階段。光子作為最普遍應(yīng)用的信息載體，其傳輸損耗是量子密鑰分發(fā)協(xié)議實現(xiàn)的主要障礙。如何克服傳輸損耗從提高密鑰速率，傳輸距離是量子密鑰分發(fā)協(xié)議理論和實驗研究的核心任務(wù)。
量子信道的傳輸效率通常用通過率
來刻畫，即一個光子能夠經(jīng)發(fā)送端（Alice）順利通過量子信道達(dá)到接收端（Bob）并且被探測到的概率。在離散變量量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，一般采用單光子進行密鑰信息編碼，因而單光子在信道中的損耗意味著密鑰信息的丟失。因此，通過率是密鑰產(chǎn)生速率的自然上界。可以嚴(yán)格證明，在所有的Alice向Bob發(fā)送信號的協(xié)議中，其密鑰產(chǎn)生速率R存在一個上界，為量子信道通過率
的線性函數(shù)，即
。在光纖量子密鑰分發(fā)中，由于量子信道通過率隨著傳輸距離的增加而指數(shù)衰減，該上界嚴(yán)重限制了量子密鑰分發(fā)協(xié)議在遠(yuǎn)距離條件下的密鑰生成速率。
在近期一系列研究基礎(chǔ)上，馬雄峰小組推廣并提出了一種新型相位匹配量子密鑰分發(fā)協(xié)議（圖1），并嚴(yán)格證明了其安全性，這也是世界上首個對突破線性函數(shù)密鑰率上界
的證明。在常規(guī)的相位匹配量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，Alice和Bob各自制備相干態(tài)的激光脈沖，并且將密鑰信息
編碼到相干態(tài)的相位中，然后將衰減后的激光脈沖發(fā)送給一個不受信任的測量端Eve。理想情況下，Eve應(yīng)該進行光子干涉測量并公布結(jié)果。這樣的干涉測量將匹配Alice和Bob相干光的相位，使得密鑰信息
產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。
圖1? 相位匹配量子密鑰分發(fā)協(xié)議示意圖。通信雙方將密鑰信息編碼在相干態(tài)的相位中，并交給Eve進行干涉測量 （a）相位匹配量子密鑰分發(fā)協(xié)議的一般情況，每次編碼的密鑰為d維。（b）d=2并附加相位隨機化的情況。
在馬雄峰，曾培，周泓伊提出的新協(xié)議中，Alice和Bob在發(fā)送弱相干光之前引入額外的隨機相位
。在Eve公布測量信息后，Alice和Bob公布隨機相位信息并進行后選擇。經(jīng)過嚴(yán)格的協(xié)議安全性分析以及考慮所有實際因素的數(shù)值模擬后，該小組發(fā)現(xiàn)新協(xié)議的密鑰產(chǎn)生速率在傳輸距離大于250公里的時候可以顯著超越線性密鑰率上界（圖2）。在傳輸距離大于300公里的時候，該協(xié)議的密鑰率能夠比原始的測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議高出4~6個數(shù)量級。這項工作對于進一步拓展量子密鑰分發(fā)協(xié)議的傳輸距離具有重大的實際應(yīng)用價值。
圖2 相位匹配量子密鑰分發(fā)協(xié)議(PM-QKD)密鑰率與傳輸距離關(guān)系的數(shù)值模擬圖。在達(dá)到一定傳輸距離達(dá)到一定程度時可以超越已有的密鑰率上界，并顯著高于現(xiàn)有其他量子密鑰分發(fā)協(xié)議。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金委的支持。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.8.031043
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