关键“信噪比”下降 833公里长的光纤上完成量子密钥分发

1月17日，知名的学术刊物《自然·光子学》在线发表了来自中国科学技术大学的一项研究成果。中国科大郭光灿院士团队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。

量子密钥分发基于量子物理的基本原理，在信息安全层面上提供了窃听可感知的密钥分发手段。光量子是量子信息的天然载体，但线路中不可避免的损耗限制了量子密钥分发的安全距离，也是制约广域量子保密通信网络部署和应用的关键因素之一。因此，如何延长光量子密钥分发直接传输的安全距离，成为当前极具挑战的难点和焦点之一。

那么，在833公里长的光纤上完成量子密钥分发，这个世界纪录是怎样创造出来的?

关键“信噪比”，降!降!降!

“光量子密钥分发直接传输的安全距离逐步逼近了1000公里级，这就为未来广域量子通信网奠定很好基础。”面对记者的来访，中国科大韩正甫教授热心地向记者解释，将来构建的广域量子通信网，能够分布在多个城市的，并且拥有城际骨干线路和具有城域子网。“这样的分层结构，为较多用户提供服务的量子通信网络。”

韩正甫教授告诉记者，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。“但是也不能说噪声为零，就可以传输无限远。”韩正甫教授进一步解释道，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。

“我们团队一直致力于实现长距离量子密钥分发，2012年创造了206公里的记录。2018年的时候我们在双场协议的理论和实验方面做出了一些关键性突破，实现了300公里光纤信道的双场实验，这是国际上首个在光纤信道中突破理论极限的实验。”韩正甫教授告诉记者，这些工作中，课题组发展了协议理论分析的方法，突破了光源相位锁定，信道相位补偿等几项关键技术，这为团队实现833公里奠定了基础。

“量子通信一直是竞争激烈的国际赛道。”韩正甫教授告诉记者，目前国际上，比较有竞争力的团队是东芝剑桥研究所，他们是双场协议原始理论提出者，实验上也实现了600公里的双场系统。此外，英国利兹大学，日本东京大学等在理论方面也有不少造诣。

突破“双场协议”理论

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，但其理论的完善和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。”韩正甫教授告诉记者，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，因此较为复杂，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。

经过了一番认真的研究，韩正甫教授和他团队认为，这个协议提出的主要目的是为了突破“密钥率-信道损耗”极限。国外也有理论物理学家证明，原则上任何端到端的协议都不能突破一个叫做线性界的极限，因此传输距离非常受限。“双场协议把测量装置挪到了信道中间，基于单光子干涉，从而绕开了线性界的束缚，开辟了新的研究方向，是一个创新性很强的工作。”韩正甫说。

“但是双场协议刚提出时，其安全性证明并不完善，且实验上需要全局相位随机化，并在传输后，由用户筛选出相位匹配的情况才能产生密钥，这些步骤降低了密钥率，实验实现也比较复杂。因此，在理论和实验上，双场协议开辟了新的方向，但是也意味着需要解决很多问题。”韩正甫表示，创新有时就先必须从突破固有的理论开始。

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。

创立 “四相位调制双场协议”新理论

“2018年的时候，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了，这样密钥率可以显著提高，实验上也大幅度简化了。”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，这样进一步混肴窃听者的信息，从而可以延长安全距离。”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突破，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。相比于国内外其他研究团队工作，韩正甫团队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，为实现千公里量级陆基广域量子保密通信网络迈出重要一步。

“事实上，创新是没有止境的，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QKD骨干线路可能实现，这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。

韩正甫教授也坦言，从根本上来看，双场协议并不能改变密钥率随着距离指数衰减的事实，未来的洲际量子通信还是需要借助量子中继的。“但是，量子中继真正实用可能还需要比较长的时间，双场协议可以解决当前的大部分问题吧。”韩正甫说。(吴长锋)