近日，南京大學物理學院、固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心陳增兵-尹華磊課題組與中科院物理所等單位合作提出了四相位測量設備無關量子密鑰分發協議並進行了原理性實驗演示，該協議在保證了不完美光源的實際安全性的同時解決所有探測器端的漏洞。該工作將抽象的光源不完美特性轉化為可在實驗中量化的各種偏差參數，成功實現了在20 dB的信道傳輸損耗下0.25 kbps的密鑰率；在10 dB（約50千米光纖）的信道傳輸損耗下實現91 kbps的安全密鑰率，可滿足語音通話等一次一密加密需求。同其他考慮了光源不完美的測量設備無關類量子密鑰分發協議相比，該研究在安全密鑰率和傳輸距離方面都有了顯著提高，展現了該協議巨大的應用潛力。相關研究成果以「Experimental measurement-device-independent type quantum key distribution with flawed and correlated sources」為題於2022年11月15日發表在Science Bulletin期刊【Science Bulletin 67, 2167 (2022)】上。
論文共同第一作者為南京大學物理學院碩士研究生顧傑和博士研究生曹嘯宇，通訊作者為南京大學尹華磊副教授和陳增兵教授。該研究工作得到江蘇省自然科學基金、中央高校基本科研業務費、南京江北新區重點研發計劃等的支持。
研究背景
與經典密鑰分發相比，量子密鑰分發能夠使得兩個遠距離用戶共享完全隨機的安全密鑰。量子密鑰分髮結合一次一密的對稱加密方法，能夠為信息交換提供理論上的理想保密性。在量子密鑰分發的理論安全性證明中需要對使用的儀器進行刻畫而引入理想化假設。然而，由於本身性能缺陷或者竊聽者的干擾，實際的儀器往往無法滿足理想化假設的要求。這些偏差導致了實際實施過程中，系統無法避免地泄露信息，從而造成嚴重的安全性隱患。為了解決這一問題，器件無關量子密鑰分發和測量設備無關量子密鑰分發協議被相繼提出。器件無關協議不需要對儀器採用任何信任假設，通過貝爾不等式的違背和終端節點信息隔離假設便可以保證其現實安全性。最近，中外學者首次實現了器件無關量子密鑰分發的原理性驗證實驗，相關工作分別發表在《自然》與《物理評論快報》上。
然而，器件無關協議存在實驗要求苛刻、安全密鑰率低、傳輸距離極短等缺點，無法進行長距離實際應用。測量設備無關類協議通過引入一個不可信的中間節點來進行干涉測量，成功關閉了實際系統中的所有探測端漏洞。相比於器件無關協議，測量設備無關類協議不需要對干涉終端節點進行任何假設，其密鑰產生速率高、安全傳輸距離遠。例如，當前測量設備無關類協議的世界紀錄是尹華磊等人實現的404公里雙光子干涉測量設備無關量子密鑰分發【Phys. Rev. Lett. 117, 190501 (2016)】和王雙等人實現的833公里單光子干涉雙場量子密鑰分發【Nature Photon. 16, 154 (2022)】。測量設備無關類協議被量子密碼學界認為是兼具現實安全性和高效性的最佳選擇。因此，如何解決測量設備無關類協議光源部分的不完美是最重要的科學問題之一。
研究創新
對於量子密鑰分發的光源而言，現有技術下的源不完美主要包括四個方面：量子態製備缺陷、由模式依賴引起的邊信道攻擊、特洛伊木馬攻擊和脈衝關聯。為了解決這幾方面的源不完美對系統產生的安全性漏洞，本工作採用國際上最新提出的參考技術安全性證明方法 【Sci. Adv. 6, eaaz4487 (2020)】，對上述幾種源不完美性對應的參數進行了完全表徵，並證明了一個四相位測量設備無關類量子密鑰分發協議的安全性。本工作還在實驗中測量了相應的源不完美性的各種表徵參數，提供了該協議針對相干攻擊下的有限密鑰分析。
此外，研究組以一個原理性的驗證實驗來展示了協議的可行性。實驗中使用含有Sagnac干涉儀的即插即用（plug-and-play）系統來自動穩定信道中的相位漲落，同時使用保偏光纖來穩定光信號的偏振。
圖二：模擬結果對比與實驗結果圖。（a）無邊信道攻擊模擬結果對比圖；（b）有邊信道攻擊模擬結果對比圖；（c）實驗結果圖
模擬結果如圖二（a）和（b）所示，在無邊信道攻擊和有邊信道攻擊情況下，該協議相較之前協議，碼率都有指數量級的提升。實驗結果如圖二（c）所示，考慮源不完美情況下，在10 dB（約50千米光纖）的信道傳輸損耗下，協議能夠實現91 kbps的安全密鑰率（滿足語音通話等一次一密加密需求）；在20 dB的信道傳輸損耗下，協議能夠實現253 bps的安全密鑰率。在源完美情況下，則可在超過35 dB衰減的信道中成碼。與其他允許源不完美的協議相比，該研究在安全密鑰率和傳輸距離方面都有了顯著提高。總的來說，該工作首次實驗實現了基於參考技術表徵源不完美性參數的量子密鑰分發協議，證明了該方法的實際可行性。即使同時考慮光源不完美和抵禦所有探測器端攻擊，四相位測量設備無關量子密鑰分發也可以在城域範圍內邁向實際應用，顯示出了其應用於實際量子通信網絡部署的潛力。未來的工作還需要在實驗中使用遠距離鎖頻鎖相技術解決Sagnac環的缺點，同時需要更細緻地表徵各種偏差參數。
論文連接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927322004571?via%3Dihub