中科大实现国际最长距离的环回差分相位协议量子密码分配

近日，中科大郭光灿院士领导的中国科学院量子信息重点实验室完成了国际上最长安全传输距离的环回差分相位（Round-robin differential phase shift-RRDPS）协议实用化量子密钥分配实验。该实验室韩正甫、陈巍等首次基于主动切换技术实现了安全传输距离超过90公里的RRDPS协议量子密钥分配实验，创下了世界纪录，其结果充分验证了这一新型协议的实用化潜力。该研究成果发表在11月2日出版的国际权威期刊《自然•光子学》上[Nature Photonics (2015) doi:10.1038/nphoton.2015.209]。

量子密钥分配在理论上可以基于量子物理的基本原理，实现信息论意义上无条件安全的密钥协商。但是，实际系统中存在的非理想特性所造成的安全漏洞，有可能大大削弱量子密钥分配协议的保障能力。在现有的量子密钥分配协议中，收发双方均需要对协议的核心安全参数进行统计和监测，以应对实际环境等因素对系统造成的扰动。这在增加系统复杂度的同时，会降低系统的效率，并有可能引入额外的安全性问题。

RRDPS协议是T. Sasaki等人在2014年提出的新型协议[Nature 509, 475-478 (2014)]，该方案在协议层面上确保实际物理系统的安全性，而不是以往仅在实际系统本身寻找解决安全性的途径。该协议在多种可能的延迟量之中随机选择一个值将光脉冲序列进行延迟，并测量前后脉冲之间的干涉结果，无需监测环境对光子信号参数造成的扰动，即可评估窃听者获取的信息量。但是，由于该协议的优势在延时量较长时才能得到充分的体现，且需要保持多种延时量和长延时条件下的干涉测量稳定性，因而在技术实现上具有较大难度。

为了充分验证这一新型协议的实用化前景，韩正甫小组发展了自主提出的“法拉第—迈克尔逊”型干涉仪，通过改进制作工艺，显著提高了其对称精度，并采用高速主动光学切换技术和主动相位补偿技术，实现了可在1-64个延迟比特位中进行主动选择的高稳定、多比特延时干涉仪，解决了这一协议的核心技术难点。课题组通过对实验使用的干涉仪进行结构优化，大大降低了插入损耗，并结合高速、低噪声单光子探测技术，实现了工作频率达到1GHz、脉冲分组长度达到了65种的RRDPS实验系统。该系统在考虑了密钥有限长效应等实际问题的条件下，实现了安全参数达到3×2-80，最长距离超过90公里的量子密钥分配。这是第一个主动调制的RRDPS实验，也是国际上传输距离最远的RRDPS协议实验。审稿人认为，这是此类协议的实验工作中最为出色和令人印象深刻的结果。实验系统所用的器件均为目前的商用器件：使用InGaAs而非超导单光子探测器实现了具有实用价值的长距离密钥传输；使用的干涉仪具有优秀的可扩展性，可以在仅增加2.4 dB损耗的条件下，将测量基的选择增加到1024种。以上核心技术的应用，使实验结果充分验证了RRDPS协议的实用价值，为推进量子密钥分配技术的实用化进程提供了新的技术途径。

中科院量子信息重点实验室王双副研究员、银振强副教授是这一工作的共同第一作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和教育部的资助。
　
（中科院量子信息重点实验室、量子信息与量子科技前沿创新中心、科研部）

附论文链接：http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2015.209.html

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