中科大远程量子密钥分发 实现新突破

本报讯（记者 桂运安）记者6月19日从中科大获悉，该校郭光灿院士团队近期首先在理论上提出免相位后选择的孪生场量子密钥分发(QKD)协议，并基于该协议突破了孪生光场制备和长距离光纤信道相位补偿两项技术，在300公里光纤上首次完成不受无中继QKD协议密钥生成率上界（线性界）限制的高密钥生成率实验，向无中继、长距离城际量子密钥分配网络迈出关键一步。

QKD利用量子力学原理，使无条件安全的保密通信成为可能。然而，实际QKD系统受信道损耗制约，其密钥生成率随着信道长度增加而显著降低。量子密码理论学家们证明，任何无中继的QKD协议其密钥生成率都不能突破线性界。2018年，英国科学家提出孪生场(TF) QKD协议，该协议基于相干态直接干涉，利用单光子响应就可以产生密钥，在长距离信道情况下其密钥生成率有显著优势，且安全性较高。但该协议的编码模式必须进行相位随机化和后选择，这两项要求显著降低了系统密钥率，增加了实现复杂度。

郭光灿院士团队提出一种新型TF-QKD协议，新协议的编码模式不需要进行相位随机化和后选择，在显著提升了协议效率的同时还降低实现复杂度，并且可以在更短的信道距离下突破线性界，密钥生成率得以显著提高。他们首先在基于光学锁相环和反馈控制方案上取得突破，解决了相干光场制备的技术难题。接着，又设计并实现了远程光纤信道快速相位补偿控制技术。最终，在300公里光纤信道上实现TF-QKD原理验证系统，其密钥生成率达到每秒2kb，突破了线性界。这一密钥率约为线性界的3倍。

该工作验证了在无中继条件下远距离、跨城际高密钥率传输和组网的可行性，在量子中继短期难以实用的情况下，TF-QKD协议有望在大范围、远距离量子保密通信网络应用方面取得突破。

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