實現真實環境中的遠距離量子幹涉，國際上第一次將MDI-QKD拓展到自由空間
如果用一個詞來形容當今社會的特徵，很多人都會想到「互聯互通」。如今，信息的交流正變得愈加頻繁和複雜，身處這樣的時代，相信每一個人都深深地感受到了：
安全通信實在太重要了
實際上，人們早就認識到信息安全的重要性。為了保證信息安全，在發送信息之前，人們會利用密鑰來加密信息，而後接收者再通過密鑰對加密信息進行解密。早在古希臘時期，為了防止信息被竊聽，斯巴達人就已經將加密技術應用於通信了。加密者與竊聽者之間的矛與盾之爭已經持續千年。
如何實現信息的安全共享？是否有絕對安全的通信方式？量子力學給予人們新的可能性，讓我們對通信中如何實施加密有了新的認識。量子密鑰分發（quantum key distribution，QKD）是目前實際應用的一種量子密碼系統，其安全性根植於量子力學的基本原理，在資訊理論上被證明是「無條件安全」的。在量子密鑰分發走向實用化的道路上，中國的科學家們無論在理論還是實驗上都做出了大量令世界矚目的成果。想必，「墨子沙龍」的讀者們對QKD一定是很熟悉了。
深入千家萬戶的「QKD」
（發錯圖了，重來）
近日，中國科學技術大學潘建偉及其同事彭承志、張強等與清華大學王向斌，中科院上海微系統所尤立星等人合作，又完成了一項量子通信的重要工作。他們首次在國際上實現了基於遠距離自由空間信道的測量設備無關量子密鑰分發（MDI-QKD）實驗。
遠距離自由空間MDI-QKD實驗展示圖 (墨子沙龍鄭瑤繪製)
相關成果於2020年12月24日（北京時間）以編輯推薦（Editors' Suggestion）形式在線發表於《物理評論快報》。美國物理學會Physics網站以「量子物理保證無線通信安全 」（Securing a Wireless Link with Quantum Physics）為題專門對該工作做了報導。要知道，《物理評論快報》是物理學領域的頂級期刊，而每期的文章中能以「編輯推薦」形式發表且配以文章進行介紹的，更是極少一部分。為什麼這項工作能受到如此重視呢？
1. 為什麼要有MDI-QKD？
量子力學的基本原理保證了BB84協議的無條件安全性，那麼為什麼還要發展其他量子密鑰分發協議呢？這是因為，在實際QKD系統中，器件並不完美地符合理想BB84協議的數學模型，在QKD實用化的歷史中，真實系統中量子密鑰分發可能存在一些安全性隱患。這些隱患可以歸為兩類——源的安全性和探測端的安全性。
過去的二三十年間，在國際學術界的共同努力之下，現實條件下量子保密通信資訊理論可證的安全性已經建立起來了。其中，測量設備無關量子密鑰分發（MDI-QKD）就是QKD現實條件下安全性建立之路上很重要的一種協議，它利用雙光子幹涉技術消除了探測端的所有安全隱患，徹底解決了探測器攻擊問題，被普遍認為是各種量子密鑰分發協議中的最佳候選協議之一。
MDI-QKD協議由羅開廣等人於2012年提出，簡單說來，它可以看作是BBM92協議的「時間反演」。BBM92是「糾纏版本」的BB84協議：由第三方Charlie來製備糾纏光子對，並把兩個光子分別發送給通信雙方Alice和Bob；Alice和Bob只需通過對糾纏進行判定，就可以識別出任何竊聽行為。值得注意的是，BBM92協議的安全性不依賴於第三方Charlie的糾纏源，即便是糾纏源被敵方控制的極端情況，也不影響最後密鑰的安全性。糾纏進入QKD，克服了源端的所有安全性漏洞，今年6月，「墨子號」正是基於糾纏QKD，實現了無中繼千公裡的量子保密通信，特別重要的是，衛星可以完全不設防。而MDI-QKD協議「反其道而行」，Alice和Bob發送光子給第三方Charlie；Charlie將2光子進行幹涉，經過所謂的「貝爾測量」，得到後選擇的糾纏光子對。與BBM92的原理類似，MDI-QKD的安全性不依賴於Charlie的測量設備，一舉解決了探測端攻擊問題。
BBM92協議（左）；MDI-QKD協議（右）
2. 為什麼要拓展到自由空間信道？
自從MDI-QKD協議提出之後，潘建偉團隊及其合作者便開展了大量工作。在2013年，研究團隊就在國際上首次實現了測量設備無關量子密鑰分發，之後通過不斷努力和技術的創新、積累，多次創下並刷新傳輸距離的世界紀錄，2020年進一步把傳輸距離突破至509公裡。
達到更遠的傳輸距離、獲得更高的成碼率，是量子密鑰分發實用化必須面對的主要挑戰。然而，光纖存在固有損耗，而量子態無法被完美複製，量子信號不能像經典信號那樣被放大，因此在光纖中實現千公裡級的量子密鑰分發就需要可信中繼或者量子中繼技術。
而藉助衛星的輔助，通過自由空間信道，可以極大擴展量子通信距離，這是因為外太空幾乎真空，光信號損耗很小，大氣層的等效厚度只有約10公裡。最近幾年，「墨子號」取得了很多重要成果，有力證實了衛星平臺和地面光纖網相結合是構建全球量子通信網絡最為可行的方式。
不過，長期以來，MDI-QKD一直未能在自由空間信道中實現，這是因為MDI-QKD協議的關鍵是雙光子幹涉，這需要在各個自由度上保證2個光子具有全同性。然而，大氣湍流使得大氣環境極其複雜，大氣密度（以及對光的折射率）分布不均勻且充滿變化，這給研究人員帶來巨大挑戰，一度對其只能望洋興嘆。要知道，之前的實驗工作中，光子都是先進行幹涉再傳播，而現在2個光子需要先穿過漫長的自由空間再進行幹涉。歷經複雜的大氣環境而依然保持全同性，這談何容易！
這次的工作首先完成了一系列技術突破，實現了獨立光子在自由空間信道中長距離傳播後的雙光子幹涉，繼而在上海城市的大氣環境中完成了世界上第一個自由空間MDI-QKD實驗。
遠距離自由空間MDI-QKD實驗裝置圖
還有，這不僅是量子密鑰分發領域的重要一步，其中的技術還展示出更廣泛的應用前景。要知道，獨立單光子長距離傳播後的量子幹涉對於很多量子信息任務都是至關重要的，例如量子中繼器、量子網絡等等。同時，這也為在大空間尺度中探索量子力學與廣義相對論融合等基本問題提供了新的途徑。
3. 有哪些具體困難，又是如何克服的？
雙光子幹涉，即Hong-Ou-Mandel幹涉，是MDI-QKD協議的核心，其要求由2個獨立光源產生的光脈衝，在經過自由空間信道的傳輸後，仍然保持優異的全同性。空間、時間、頻譜、極化等自由度上的任何不匹配都會影響幹涉。
雙光子幹涉示意圖
大氣湍流主要在以下幾方面對光子的性質帶來嚴重影響：空間模式、頻率模式和時間同步。
空間模式大氣湍流破壞了空間模式，不僅對雷射束的波前帶來影響，還致使振幅和相位的隨機分布，這使得光子在空間模式上不再具有全同性。因此在進行幹涉測量前需要用單模光纖進行空間濾波，這給光信號帶來了巨大的損耗。為了解決這一問題，研究團隊採用了自適應光學系統，通過可形變鏡片與光脈衝的交互、反饋，實現對光脈衝的補償。
自適應光學系統是天文學觀測上常用的手段，但是天文學觀測往往發生在可視度極好的地方，而且要考慮的是垂直高度上的大氣湍流，而自由空間MDI-QKD這一工作，需要考慮的是城市中地面附近水平距離上的大氣湍流，這要比天文學觀測中通常遇到的湍流劇烈得多。為此，研究團隊在儀器和算法上都進行了創新，特別是開發了一種隨機梯度下降算法。自適應光學系統的應用使得雙鏈路總信道效率提升約4到10倍。
頻率模式和時間同步雙光子幹涉還要求光脈衝的到達時間和頻率差要達到不確定關係的極限。研究團隊利用分子吸收譜實現了遠距離獨立雷射器之間的鎖頻，即：Alice和Bob分別使用HCN分子吸收池來校準光頻，把幹涉光的頻率差做到了小於10 MHz。研究團隊還在三個實驗點（Alice、Bob、Charlie）分別使用超穩晶振作為獨立時鐘源，通過測量脈衝到達時間實時反饋，得到32 ps的獨立時鐘同步精度。光脈衝到達時間和頻率的不確定性達到了雙光子幹涉的要求。
富有洞察力的想法固然重要，但唯有一步一個腳印的積累、努力才能讓夢想照進現實。這次突破源於技術上的不斷創新、積累，以及精益求精、追求極致的工匠精神。
（感謝曹原、李宇懷和張強三位老師對本文的幫助）
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