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保护升级！揭秘CV-QKD的过去、现在和未来
光子盒研究院
日前，一篇预发表于美国物理协会（AIP）旗下的Applied Physics Review（IF：19）杂志的关于连续变量QKD系统的综述文章，描述了连续变量量子密钥分发系统的原理，重点介绍了基于相干态的协议，其系统正逐渐从原理验证实验室演示转向现场实现和技术原型。
目前，文章已经接收，正在最后出版中。可以通过arXiv查看论文：https://arxiv.org/abs/2310.04831
在本文中，光子盒团队将概述文章的主要内容，为对该领域感兴趣的读者提供指引。文章首先回顾了量子密钥分发（QKD）的理论框架及其安全性现状，随后深入讨论了系统架构、关键组件以及目前主流的系统实现方式。特别地，从数字技术、片上系统（SoC）和点对多点通信系统三个角度探讨了未来发展趋势和应用进展。文章最后对QKD系统的实际安全性进行了深入分析，并对该技术领域的未来发展进行了展望。 量子密钥分发技术利用量子力学的原理，提供了理论上无法破解的信息安全保障。特别是，使用相干态的连续变量量子密钥分发技术，因其与现有电信技术的兼容性（如使用商用激光器和零差探测器）而备受关注，目前正处于快速发展阶段。
光子盒团队通过这篇文章，旨在为读者提供一个关于量子密钥分发领域当前状态及其未来发展的全面视角。感兴趣的读者可以进一步查阅原论文，以获得更深入的理解和信息。
迄今为止，已经开发了多种离散变量QKD协议，以支持远距离和实际应用中的安全系统实现，诸如诱骗态方法、测量设备独立性（MDI）方法、双向传输实验及片上系统实现等。特别是，三站双向QKD方案显著推动了长距离QKD技术的发展，其通信距离甚至能突破所谓的PLOB限制。这些进展催生了长达1000公里的长距离点对点连接、高速城域网络和实际部署的QKD网络，包括实现了从卫星到地面的链接。此外，连续变量QKD（CV-QKD）代表了一种独特的协议类别，通过在连续变量的光的正交属性上编码信息。这种方法使用连续变量作为量子信息的载体，为QKD及更广泛的量子信息处理提供了一个有效和可替代的途径。
特别是，基于相干态的连续变量量子密钥分发（CV-QKD）因其与电信行业的高度兼容性而处于快速发展阶段，例如它可以使用商业连续波激光器和相干检测技术（见图1）。这一发展潜力促进了CV-QKD在协议设计、安全性分析和系统实施方面的重大进步。
图2勾勒了典型的CV-QKD系统的结构、关键技术及其应用场景。得益于先进的同步技术、数字信号处理（DSP）能力和基于片上系统的实现，这些系统展示了CV-QKD技术在城域网、接入网以及自由空间通信中的适用性，甚至能与传统光纤网络并存。
随着这些技术的进步，一个由先进CV-QKD系统支撑的、大规模且经济高效的QKD网络的出现指日可待。
连续变量系统代表了一类无限维的量子系统，这些系统的物理状态遵循海森堡不确定性原理，通常通过协方差矩阵描述：
在双模高斯态的情境中，CV系统中一个常见状态为双模压缩真空态，亦称为EPR（爱因斯坦-波多尔斯基-罗森）态，其协方差矩阵中的压缩比率r表示为状态的方差V：
在这两种系统之间的所有区别中，最大的区别是LO是否在接收机内部产生。对于在线LO系统，如图8 （a）所示，由激光源产生的光被分割，其中一部分光被调制并衰减到量子能级，而另一部分光被用作强LO。然后，量子信号和LO被多路复用，并同时传输到接收机。对于本地LO系统，如8 （b）图所示，原则上发射机只需要对量子信号进行调制和发送，接收机使用本地生成的LO进行相干检测，简化了系统结构，阻止了Eve对LO的访问。这两种不同的系统方案产生了不同的主噪声源，因此采用了不同的系统架构来抑制过量的噪声，提高了密钥率。
在2003年，CV-QKD技术取得了重大突破，实现了其首个系统，如图25(a)所展示，其中在无损耗信道条件下密钥速率达到了1.7 Mbps，而在存在3 dB损耗的信道中，速率能够维持在75 kbps。该系统依赖自由空间光学技术，并使用780 nm的工作波长。
这标志着第一次成功实现反向和解，支持超过3dB损耗限制的密钥蒸馏。
量子信号和本地振荡器（LO）信号均由同一激光源产生，通过分割源头发出的光，一部分通过高斯调制转变为相干态的量子信号，另一部分则作为LO信号。采用基于脉冲光的振幅和相位调制技术实现高斯调制，并通过引入训练序列来补偿量子信号和LO在不同路径中的相位差异。这些创新特性后续被保留并在基于光纤的CV-QKD系统中得到进一步的发展和优化。
到了2007年，首个全光纤CV-QKD系统问世，实现了通过25公里（相当于5.2 dB损耗）光纤通道传输的2 kbps密钥速率。这一重要进展的核心在于量子信号和LO信号在同一光纤内共传输，显著减少了由于分开传输导致的相位噪声累积，如文中图25(b)所示。
该系统采用的多路复用技术广泛应用于大多数远距离系统中，以实现量子信号与本地振荡器之间的高度隔离，如图26（b）所展示的那样。通过将过量噪声控制在低水平，实现了超过100公里传输距离和300比特每秒以上密钥率的CV-QKD系统。他们提出了一种在低信噪比环境下进行高精度相位补偿的有效方法，这对于控制过量噪声至关重要。系统硬件方面，开发了一种低噪声检测器，降低了对高本地振荡器功率的需求。
如图26（c）所示，Y团队实现了迄今为止传输距离最长的CV-QKD系统。到2020年，该系统的传输距离达到了202.81公里，是之前传输记录139公里的两倍。本系统采用两个振幅调制器生成脉冲光，随后通过一个振幅调制器和一个相位调制器进行高斯调制，并使用一个振幅调制器将调制后的信号衰减到量子级别，同时提高帧序列的信噪比。通过时分复用和偏振复用技术，确保了量子信号的共传输与本地振荡器之间的充分隔离。接收端的损耗被放大，以降低发射端对发射功率的需求，这有助于减少交叉干扰。采用自动反馈系统以适应信道扰动，并采用高精度相位补偿技术抑制过量噪声，实现了高效后处理，保证了在较高密钥速率下的长距离传输。除了202.81公里的传输测试外，还进行了其他距离（27.27、49.30、69.53、99.31和140.52公里）的测试，密钥率分别达到了278、62、4.28、1.18和0.318千比特每秒。
在线LO CV-QKD系统的关键技术包括多路复用和调节模块，和解技术的发展直接促进了长距离传输的实现，其中长距离传输能力与高纠错效率紧密相关。多路复用技术最终演化为时分和偏振复用，因为这是实现量子信号与本地振荡器之间充分隔离的最简单方法。
除了实验室环境下的测试外，在线CV-QKD系统的现场测试也得到了广泛开展（如图27所示）。2009年，S. Fossier等人实现了第一个现场测试的CV-QKD系统，该系统能够在3dB损耗的光纤链路上实现8千比特每秒的密钥速率，并连续自动运行超过57小时。该系统是SECOQC网络的一部分，实际光纤长度为9公里。后续，该系统用于点对点通信的加密，证明了CV-QKD系统在服务器室环境中长时间运行的可靠性。现场测试系统的稳定性进行了详细研究，发现双折射（因此偏振）以及与温度变化相关的相位漂移在实验室条件下与现场环境中有显著差异。
2016年，D. Huang等人实现了全网格4节点的CV-QKD现场测试，其中包括6个点对点CV-QKD连接，距离分别为19.92、35.35、37.44、15.34、17.52和2.08公里，连接了4个节点。该工作采用了波分复用技术，共同传输量子信号、时钟同步信号和经典数据通信信号。对现场光纤连接器引起的反射进行了充分研究，结果表明实验中的反射事件远超过连接器标称反射率-40dB的预期。
CV-QKD系统最长的现场测试是在2019年通过49.85公里的商业光纤完成的。通过应用有效的校准模型、一次性评估的速率自适应纠错方法以及全自动控制系统来稳定系统噪声，该测试在波动环境下成功保持了高纠错效率，密钥生成率在两周的测试期间保持稳定。
此外，CV-QKD系统的发展还包括对现场测试中的各种挑战进行了广泛研究，例如温度变化、光纤长度变化、相位漂移和反射事件。这些研究不仅提高了CV-QKD系统的实用性，也为未来的量子通信网络奠定了基础
除高斯调制外，在线LO系统还实现了离散调制和一维调制，如图31所示，离散调制格式对数模转换的要求较低，单维调制可以通过单振幅调制器实现，适用于经济有效的应用。在这些系统中也采用了极化复用技术。来自X的四态调制CV-QKD系统，可以达到1 kbps的密钥速率，传输距离为30.2 km，四态调制CVQKD系统从在传输距离为10 km时可以达到50 kbps的密钥速率，一维调制系统在30和50 km400时可以达到5.4 kbps和0.7 kbps的密钥速率。
虽然在线LO系统已经发展历史悠久，但仍有一些问题不可避免。最关键的问题是由潜在窃听者可访问的LO所造成的安全漏洞。对LO的操作会使发送方和接收方错误地进行参数估计，导致对密钥率的高估。监控LO可以防御部分攻击，但漏洞仍然存在，可以不断开发更多针对它的攻击策略。此外，从系统发展来看，我们希望通过提高来实现高关键率或实现长距离，克服了较大的信道损耗，从LO到量子信号的串扰会增加，从而削弱了系统的性能。 因此，经过十多年的发展，提出了不传输LO的本地LO CV-QKD系统。局部LO系统于2015年首次提出，旨在通过在接收机内部生成LO来解决上述问题，这是一个一劳永逸的解决方案。 基于数字调制和检测方案的本地LO CV-QKD系统正朝着高密钥率、可组合安全性和远距离的方向发展。如图34 （a）所示，在HWang的工作中，使用频分复用和偏振复用到传输量子和导频信号，以及两个用于测量的数字外差探测器，一个具有4态离散调制相干态的系统在5 km、10 km和25 km处实现了233.87 Mbps、133.6 Mbps和21.53 Mbps的密钥速率。这将渐近密钥率提高到子gbps水平，这可以满足一次性的pad加密任务。对优化实际系统参数的进一步研究表明了实现高性能系统的有效途径。 N.Jain的系统具有可组合安全功能，在20.3 km处实现了0.0471位/符号密钥速率，如图34 （b）所示，IQ调制器产生频分多路量子和导频信号，由数字外差探测器检测到。该系统能够用2生成可组合的密钥×108相干态，由于安全证明的改进，远低于以前的要求。 最近的工作与结构如图34 （c）所示。可实现100 km以上的传输距离，在50 km、75 km和100公里以上的传输距离上，渐近密钥速率可达到7.55 Mbps、1.87 Mbps和0.51 Mbpskm。这项工作显著提高了本地LO CV-QKD系统的传输距离，为利用电信设备实现长途和高速QKD提供了一种很有前途的方法。
1）数字CV-QKD系统
数字领域的减值补偿可以显著简化系统结构，使系统更加简单、稳定。对经典相干通信的研究促进了CV-QKD系统中的DSP算法。例如，在发射机侧，脉冲整形算法被误用用于提高频带的可用性。对于接收机，识别频移，在数字域完成下转换，采用时间恢复算法获得最优采样点，采用数字滤波器减少发射机与接收机站点之间的频谱不匹配，开发各种算法提取极化补偿和相位补偿参数。由于DSP在CV-QKD系统中的广泛应用，系统的速度越来越高，最新的成果波特率达到10 GBaud。 随着越来越多的DSP算法被引入CVQKD系统，DSP的安全性受到越来越多的关注。基于连续模量子光学理论，在2023年证明了线性DSP算法在CV-QKD应用中的安全性。通过数字偏振补偿，可以使用极化分集集成相干接收机（ICR）来简化系统，其中不再需要光偏振控制器，如图37所示。
在实际应用中，根据不同的安全需求考虑多样化的密钥速率是可行的，例如，针对个人攻击、集体攻击或完全连贯攻击的不同防御策略。这些速率的选择可能与追求的特定安全子级别密切相关。另外，系统的实施应向着更高的集成度、更快的速度和更远的传输距离方向发展。量子安全领域中，量子黑客及其对策的研究是一个重要而不断进展的领域。有效关闭发射端侧信道和准确校准单光子单位（SNU）是确保系统实际安全的关键因素。
综上所述，利用连续变量量子密钥分发技术构建城域及更远距离内的高性能量子网络的潜力已经通过高速系统实现、芯片级集成和现场网络测试得到证明，如图44展示。该技术预计将高度兼容现有的光网络基础设施，进而实现大规模且成本效益高的部署，使其更接近于在未来量子网络中的广泛应用。
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