量子密钥分发的新纪录 让城市间量子通信网络又近一步

吴长锋

近日，知名学术期刊《自然·光子学》在线发表了来自中国科学技术大学（以下简称中科大）的一项研究成果。中科大郭光灿院士团队的韩正甫教授及其合作者，近期实现了833公里光纤量子密钥分发，将量子密钥分发安全传输距离世界纪录提升了200余公里，向实现千公里陆基量子保密通信迈出重要一步。

“光量子密钥分发直接传输的安全距离逐步逼近1000公里级，为未来广域量子通信网奠定了很好的基础。”韩正甫向记者解释，将来构建的广域量子通信网，能够分布在多个城市，并且拥有城际骨干线路和具有城域子网。“拥有这样的分层结构的量子通信网络，可为较多用户提供服务。”

韩正甫告诉记者，影响量子密钥分发传输距离的首要因素是信噪比。噪声包括信道扰动、探测器暗计数等。原则上只要充分抑制噪声就可以提升传输距离。“但是也不是说噪声为零，就可以传输无限远。”韩正甫进一步解释道，这是因为线路除了噪声还存在衰减，衰减会使得密钥生成率降低，密钥率太低则无法满足任何实际应用需要，即使没有噪声，也失去了应用价值。因此决定传输距离的主要因素是信噪比和衰减。

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，而且其对理论的完善和对实验技术的开拓极具挑战性。

“以前的协议一般是单光子协议，虽然也需要用到相干态，但是相干态是本地制备的，通过不等臂干涉，相位补偿也比较容易。”韩正甫说，双场协议不同于之前的协议，该协议主要基于可干涉的远程异地制备的相干态，这就对光源提出了非常苛刻的要求。不仅光源，双场协议还要求一对相干态经过不同的、远程信道传输后还可以实现接近完美的干涉，这意味着信道相位补偿也很有挑战性。

“总的来说，双场协议对实验技术提出了很高的要求。在理论上，这个协议的安全性不是基于单光子描述的，因此较為复杂，所以理论上怎么证明安全性，怎么分析各种非完美特性也是必须要解决的问题。”韩正甫说。

郭光灿、韩正甫研究组在2019年首先提出了免相位后选择的双场类协议，并首次在300公里光纤信道中验证了此类协议的可行性。

“2018年，我们团队首次在理论上证明，双场协议的编码模式，可以不做相位随机化，也就不用相位后选择，这样密钥率可以显著提高，实验也实现大幅度简化。”韩正甫告诉记者，他们的这个理论创新，当时令很多同行感到意外。因为之前学术界认为，全局随机化是安全性的必要保障。

免相位后选择协议的简洁性和高密钥率的优势，使得该协议成为量子通信领域竞相讨论的热点之一。“当然我们也注意到，我们的免相位后选择协议由于编码时完全丢弃了相位随机化，极限安全距离有些降低。后来我们想到，或许可以在编码时适当增加几个相位，这样可以进一步混淆窃听者的信息，从而延长安全距离。”韩正甫表示，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。