打破码率-距离限制！南京大学提出新的量子密钥分发协议

来源：南京大学物理学院

近期，南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心尹华磊、陈增兵课题组的最新研究成果突破了“双轨(dual-rail)”测量设备无关量子密钥分发的码率-距离限制。他们利用全同粒子的对偶纠缠特性，将同步时间相位编码的测量设备无关量子密钥分发中两个连续时间箱解耦，通过后匹配方法提出了异步协议。采用通用的测量设备无关量子密钥分发技术，该异步协议通过经典后处理实现时间复用，从而构建双光子贝尔态，将城际传输密钥率提高了多个数量级，大幅提升了传输距离，建立起了沟通测量设备无关量子密钥分发与双场量子密钥分发之间的桥梁。相关研究成果以“Breaking the Rate-Loss Bound of Quantum Key Distribution with Asynchronous Two-Photon Interference”为题于2022年4月21日发表在美国物理学会期刊【PRX Quantum 3, 020315 (2022)】上。

论文共同第一作者为南京大学物理学院硕士研究生谢元梅和陆玉硕，通信作者为南京大学尹华磊副教授和陈增兵教授。该研究工作得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费、南京江北新区重点研发计划等的支持。

2012年，测量设备无关量子密钥分发(MDIQKD)通过引入一个不可信的中间节点来进行贝尔态测量，可以关闭量子网络中的所有探测端漏洞。由于出色的实际安全性，易于在星型网络部署，以及成熟的通用技术，MDIQKD被视为未来量子网络中一个重要且高效的架构模块。然而，MDIQKD需要两个光子同时到达中间节点干涉，其密钥率受到了无中继量子信道码率-距离限制【Nat. Commun. 5, 5235 (2014); Nat. Commun. 8, 15043 (2017)】，难以应用于实际的城际量子网络中。2018年，双场量子密钥分发(TFQKD)利用远距离单光子干涉【Nature 557, 400 (2018)】打破了无中继量子信道码率-距离限制，极大的提升了城际量子通信安全密钥率。使用最先进的技术，中国已实现了超过830公里光纤传输的TFQKD实验【Nat. Photonics 16, 154 (2022)】。

然而，为了补偿远距离量子信道相位的快速漂移和实现远距离独立激光器的相位锁定，在实验中必须使用复杂且昂贵的相位锁定和相位跟踪技术，极大地增加了TFQKD实验复杂性和商业成本，且不严格的实施可能导致安全风险。为此，提出一个同时集成TFQKD优异的城际码率性能和MDIQKD成熟通用技术的新型协议是艰巨但重要的任务。此外，2021年，量子密钥分发网络的普适限制理论【PRX 11, 041016 (2021)】指出双光子干涉的双轨(dual-rail)MDIQKD协议无法打破无中继量子信道码率-距离限制。

受到对偶纠缠的启发，利用后匹配方法巧妙地将同步时间编码转化为异步时间编码，设计出了一种异步MDIQKD协议。通过随机匹配两个探测到的相位相关联的时间箱，以建立异步双光子贝尔态，从而让双光子干涉的双轨MDIQKD协议打破无中继量子信道码率-距离限制，将理论上的不可能变为了可能。此外，由于每个时刻之间的相位噪声差在较短的时间间隔内近似相等，可以在不使用相位跟踪和相位锁定技术的情况下对两个与相位相关的时间箱进行后匹配，这大幅降低了实验难度。由于无论选择何种非对称源参数，每个用户的单光子对成分密度矩阵在时间和相位基矢下总是相同的，因此该协议适用于用户可以动态访问而不考虑已有用户源参数的量子网络。

   图1(a): 移除相位跟踪技术；1(b): 同时移除相位跟踪和相位锁定技术。

仿真结果表明，对于1 GHz系统，该协议在无相位跟踪的情况下传输距离可达450 km；同时去除相位跟踪和相位锁定技术后，该协议在有限密钥效应下可以在270公里的距离上打破无中继量子信道码率-距离限制。在城际距离，该协议的密钥率与原始MDIQKD协议相比提高了数万倍。例如，传输300公里其密钥率可达0.15 Mbit/s，足以执行包括音频和视频一次一密等各种任务。与此同时，由于该协议无需相位跟踪，其单光子探测器的所有探测计数容量都可以用于量子信号测量，使其在城际距离上能实现比使用同频强参考光相位跟踪技术的TFQKD协议高一个数量级的密钥率。

该理论工作得到审稿人的高度评价，称赞：“这是一个连接测量设备无关和双场量子密钥分发的聪明方法 (a clever way to bridge MDI and TF-QKD)”，“这项工作为TFQKD系统的改进提供了一个重要的建议，应该与任何在该领域工作的人相关 (this work provides an important proposal for an improvement for TF-QKD systems which should be relevant for anyone working in the field)”。

论文链接：

https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.3.020315

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