模式配對量子密鑰分發協議

2022-07-13 18:01:32
近日,清華大學交叉信息研究院馬雄峰教授及其研究組成員曾培、周泓伊和吳蔚捷設計了一種新型測量設備無關的協議,突破點對點量子密鑰分發成碼率。該協議不需要復雜的激光相位鎖定、信道相位監控,大幅提升了測量設備無關密鑰分發協議的性能,為高性能、高安全性量子密鑰分發實用化提供了理論基礎。

量子密鑰分發是目前量子信息領域最為成功的應用之一,也是構建量子通信網絡的第一步?;诂F有的商用光學設備,量子密鑰分發已經可以在一些商用環境下進行實際應用,比如我國的京滬干線工程、合肥的城市密鑰分發網絡等等。

為推動量子密鑰分發的實用化,需要進一步提高其實際設備的安全距離和成碼速率。一方面,量子密鑰分發的安全距離和成碼速率受光學信道傳輸損耗的嚴重限制。對于一般的點對點量子密鑰分發協議而言,成碼速率R是信道傳輸效率η的線性函數O(η),因距離與傳輸效率的指數關系,成碼速率R隨著距離增加而指數衰減。量子中繼器可以解決長距離的量子信號傳輸損耗的問題,然而目前其仍在研究階段,離實用化仍有距離。

另一方面,在用實際設備實現量子密鑰分發的過程中,設備往往存在不符合理論假設的漏洞。這些漏洞可以被竊聽者使用,從而降低了量子密鑰分發協議的實際安全性。一般的量子密鑰分發系統包括量子源,信道和測量設備三個部分。其中,量子信道在理論分析中通常不做假設;量子源的假設相對簡單,容易標定;而量子測量設備往往相對復雜,并且很難標定。為了解決測量設備的安全性問題,多倫多大學Hoi-KwongLo教授等人于2012年提出了測量設備無關的量子密鑰分發協議(measurement-device-independent quantum key distribution)。如圖1a所示,協議的通信雙方Alice和Bob均產生信號,發送給不可信的中繼Charlie,從而免除了對于測量設備的假設,提高了量子密鑰分發協議的實際安全性。

目前的測量設備無關協議主要有兩種設計方案:1)在圖1b的方案中,Alice(以及Bob)用兩個光學模式編碼相對信息。這樣的協議統稱為雙模協議。該種方案由于使用了相對信息作為編碼,因而并不需要進行通信雙方進行激光相位鎖定和信道相位監控,在實驗上較為容易實現。然而,由于只有探測器Charlie同時進行兩次成功干涉才能產生一個成功的探測響應信號,雙模協議的成碼率仍然受到Alice到Bob信道的總傳輸效率η的嚴重限制。2)在圖1c的方案中,Alice(以及Bob)用單個光學模式編碼信息。這樣的協議統稱為單模協議。該種方案中,探測器Charlie只需要進行一次成功干涉就可以關聯Alice和Bob的信息,從而極大提升了長距離成碼率。然而,單個光學模式的干涉穩定性更加依賴于光源和信道的相位穩定性,從而需要Alice和Bob的長距離激光相位鎖定技術來保證干涉穩定度,包括光源鎖定和信道相位監控技術。但這也對更廣泛的實驗推廣提出了挑戰。

20220711-論文圖片-馬雄峰-交叉信息院.png

圖1. 不同測量設備無關協議(雙模協議,單模協議和模式配對協議)的比較

馬雄峰研究組提出了一種新型的模式配對協議,同時兼顧單模協議的高性能和雙模協議的實用性。如圖1d所示,這個協議中,Alice(以及Bob)首先將信號編碼在單個光學模式中。然后,根據Charlie的探測響應結果,Alice和Bob對發送的信號進行配對,提取相對的編碼信息。由于Charlie只需進行單次干涉即可關聯Alice和Bob的信號,該協議獲得了與單模協議相近的高成碼率。另一方面,由于成碼信息編碼在配對的信號的相對信息中,模式配對協議的編碼可以容忍更高的光源及鏈路相位變化,因而不需要復雜的遠距離激光相位鎖定技術,大幅降低單模協議對光源與鏈路相位控制的要求。圖2展示了模式配對協議的成碼率。根據實驗中激光器、信道的自身穩定情況,我們可以調節協議中允許的最大配對間隔l。在l>1000時,協議的成碼率可以突破點對點協議的線性成碼上限;在l取到10^4以上時,協議的成碼率和目前的單模協議成碼率基本相同。實驗驗證表明,在沒有激光相位鎖定的環境下,配對長度l=10^4時,協議仍然有較低的錯誤率。

20220711-論文圖片2-馬雄峰-交叉信息院.png

圖2. 模式配對協議的成碼率數值比較

這項工作對于實現高速率、實用且安全的量子密鑰分發協議和量子通信網絡具有重要意義。

該成果于7月7日發表在《自然·通訊》(Nature Communication)期刊,論文題為“模式匹配量子密鑰分發”(Mode-pairing Quantum Key Distribution)。

本文通訊作者為清華大學交叉信息研究院馬雄峰教授,第一作者曾培為交叉信息院的2020屆博士畢業生,目前為芝加哥大學博士后研究員。共同作者周泓伊為交叉信息院2019屆博士畢業生,目前為中科院計算所助理教授;吳蔚捷為物理系2020屆本科畢業生。

收藏 舉報

延伸 · 閱讀