如何實現量子密鑰分發的最遠光纖傳輸距離

2020-11-26 OFweek光電新聞網

可是沒關係,科學家有辦法——可以反著來啊。研究人員乾脆把Alice和Bob作為光源,它們各發送一個光子給第三方Charlie(光子按BB84編碼方案,用2組非正交基矢進行製備,Charlie可能是忠實的第三方,也可能已經是心懷叵測的攻擊者),Charlie對兩個光子進行Bell態測量,得到一個可能的Bell態,Charlie公布這個結果,據此,Alice和Bob相應地共享一對糾纏光子。

 圖1  基於EPR分發的BBN92協議和基於時間反演EPR分發的MDIQKD協議。

讀者朋友可能要問了,Charlie作為探測器,一旦被攻擊了,敵人不還是能知道發送的信息嗎?這就要說到這個協議的巧妙之處了。Alice或Bob除了擁有一套用來發送光子的系統,還有一套虛擬系統,這兩個系統之間存在糾纏。Alice將光子發送出去的時候,並不知道自己發出去的是什麼態,只是把虛擬系統進行保存,直到Charlie宣布了Bell測量結果,Alice再去測量虛擬系統,從而知曉剛才自己發送的光子態。自始至終,Charlie啥信息也得不到。

現在,光源的安全漏洞被基本解決、探測器的安全漏洞都被完全堵住,接下來的任務無非是:增加安全通信距離、提高安全成碼率。換句話說,解決相同信息量傳得更遠、相同距離信息更多的問題。

說到這,不得不提光纖量子通信的歷史。世界上第一個量子通信實驗是在自由空間做的,但是自由空間有建築物阻擋,光很難按我們需要的路線行走。隨著光纖技術的發展,瑞士日內瓦的科學家1993年開始用光纖來做量子通信實驗。從此,量子通信開始了光纖和自由空間兩條腿走路的歷史。2005年之前,研究人員利用光纖只能實現50-70公裡通信,且存在安全漏洞,並不實用;2005年之後的各種進展,如上所述,關閉了光源和探測器的漏洞,優化了通信方案,誘騙態方案的量子通信可以做到百公裡送幾千比特/秒的信息傳輸效率(並未用上MDI方案,並不絕對安全),這個效率意味著可以打電話了,人們看到了實用化的希望。

由於單光子不可分割、不可複製,不能像傳統通信那樣進行複製放大,所以百公裡幾乎已成量子通信的極限(之前MDIQKD最長距離記錄為200公裡,由中國科學技術大學潘建偉團隊在2014年實現,該實驗在100公裡處只能獲得每秒鐘幾個比特的安全密鑰,且較大的統計漲落使得必須要一個很大的數據量才能獲得有限密鑰,這些都限制了它的實際應用)。如果每百公裡設置一個中繼站,又必須保證中繼站足夠可信、不被攻擊,還是沒有充分發揮量子通信的保密優點。

歷史一再告訴我們,極限,就是用來突破的。

近日,中國科學技術大學的潘建偉及其同事張強、陳騰雲等人,清華大學王向斌以及中科院上海微系統所、濟南量子技術研究院等單位科研人員合作,首次報導了404公裡光纖的量子密鑰分發實驗記錄,這項工作不僅是MDIQKD,同時也是所有類型的QKD的最新光纖安全傳輸記錄。

他們是怎麼做到的呢?

近年來,人們一直試圖通過參數的優化提高安全成碼率和傳輸距離,但事實證明,對於長距離MDIQKD,統計漲落將嚴重影響效率,僅僅憑藉參數的優化難以實現大的飛躍。為了根本上解決這個問題,王向斌小組提出了誘騙態的一個升級版——最優化4強度誘騙態方案。與傳統的誘騙態方案裡發送方發送一個真空態、一個誘騙態、一個信號態不同,這種最優化4強度誘騙態方案裡,發送方Alice或Bob各包含四個光源,分別發送一個真空態、兩個誘騙態和一個信號態。在分析統計漲落的時候對不同光源進行聯合考慮,並且計算成碼率時,整體考慮單光子對的產率和相位錯誤率最壞的情況,再通過優化光強及其對應的概率分布,提高了單光子計數率的下限、降低了誤碼率的上限,使得它們更接近真實值,也就是說,在保證「蒸餾」掉「致命的毒液」同時,保留了更多「甘甜的井水」。

實驗效果究竟如何呢?

我們先來看看102公裡處的情況,在這個距離上,實驗獲得的成碼率比先前實驗在100公裡處的成碼率高了兩個數量級,同時,數據積累的時間和總數據量都有了2-3個數量級的改善,非常之高效。此外值得一提的是,在不考慮漲落下,該實驗102公裡處的安全成碼率接近3千比特/秒,也就是說足以保證一次一密加密的語音通話。

在更長的距離上表現如何呢?對於標準光纖,實驗將安全密鑰傳輸距離拓展到了311公裡,要知道,同樣的裝置、同樣的條件,傳統的BB84協議即使不考慮統計漲落、即使使用理想單光子源,也不可能在這麼長的距離下安全成碼。

實驗人員測試了不同距離下的成碼錶現,發現在207公裡處,獲得了9.55比特/秒的安全成碼率,這比之前的實驗在相同傳輸距離和相同數據積累時間下提高了超過500倍,其中,50倍的提高來源於四強度誘騙方案,另外的10倍來源於裝置的改進和數據分析方法調整。

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