南京大学提出量子密钥分发新协议，前进城际传输间隔与密钥率

汹涌新闻记者 王蕙蓉
近期，南京大学团队提出异步测量设备无关量子密钥分发协议，打破了码率-间隔捆绑，将城际传输密钥率前进多个数量级，大幅前进传输间隔。
图像来自南京大学物理学院
2012年，测量设备无关量子密钥分发(mdiqkd)经过引入一个不可以信的中心节点来进行贝尔态测量，可以关闭量子网络中的一切勘探端缝隙。因为其超卓的实践平安性，易于在星型网络安设，以及老到的通用技能，mdiqkd被视为将来量子网络中一个重要且高效的架构模块。可是mdiqkd需要两个光子一起抵达中心节点干与，其密钥率遭到了无中继量子信道码率-间隔捆绑，因而难以使用到实践的城际量子网络中。
2021年，双场量子密钥分发(tfqkd)使用远间隔单光子干与，打破了无中继量子信道码率-间隔捆绑，极大前进城际量子通讯平安密钥率。运用最早进的技能，我国已完成了跨越830公里光纤传输的tfqkd实验。可是，为了抵偿远间隔量子信道相位的快速漂移，以及完成远间隔独立激光器的相位断定，在实验中有必要运用凌乱且名贵的相位断定和跟踪技能，极大添加了实验凌乱性和商业本钱，且不严肃地施行可致使使平安风险。
因而，提出一个新式协议，可以一起集成tfqkd优良的城际码率功能和mdiqkd老到通用技能，变成一项艰巨但重要的使命。此外，量子密钥分发网络的普适捆绑理论指出，双光子干与的双轨(dual-rail)mdiqkd协议无法打破无中继量子信道码率-间隔捆绑。
这次，南京大学物理学院、固体微规划物理国家要点实验室、人工微规划科学与技能协同立异中心尹华磊、陈增兵课题组遭到对偶纠缠的启示，使用后匹配办法奇妙地将同步时刻编码转化为异步时刻编码，方案出了一种异步mdiqkd协议。
团队使用全同粒子的对偶纠缠特性，将同步时刻相位编码的测量设备无关量子密钥分发中两个接连时刻箱解耦，通往后匹配办法提出了异步协议。而且，选用通用的mdiqkd技能，将该异步协议经过经典后处置完成时刻复用，然后构建双光子贝尔态，将城际传输密钥率前进多个数量级，大幅前进了传输间隔，树立起交流mdiqkd与tfqkd之间的桥梁。有关作用迩来宣告在美国物理学会期刊《物理学谈论x辑-量子》(prx quantum)。
图像来自《物理学谈论x辑-量子》(prx quantum)
在具体实验中，前述团队经过随机匹配两个勘探到的相位有相关的时刻箱，以树立异步双光子贝尔态，然后让双光子干与的双轨mdiqkd协议打破无中继量子信道码率-间隔捆绑，将理论上的不可以能变为可以。
此外，因为每个时刻之间的相位噪声差在较短的时刻间隔内近似相等，可以在不运用相位跟踪和断定技能情况下，对两个与相位有关的时刻箱进行后匹配，大幅降低了实验难度。因为不管选择何种非对称源参数，每个用户的单光子对成分

密度矩阵在时刻和相位基矢下老是相同的，因而新协议适用于用户可以动态造访而不思考已有用户源参数的量子网络。
a为移除相位跟踪技能，b为一起移除相位跟踪和相位断定技能，图像来自论文
实验仿真成果标明，关于1 ghz（吉赫）体系，前述协议在无相位跟踪的情况下传输间隔可达450公里；一起去掉相位跟踪和断定技能后，协议在有限密钥效应下，仍可以在270公里间隔上打破无中继量子信道码率-间隔捆绑。在城际间隔，协议的密钥率与初始mdiqkd协议比较，前进了数万倍。例如，传输300公里其密钥率可达0.15 mbit/s（兆比特每秒），足以实施包括音频、视频的一次一密等各种使命。
与此一起，因为新协议无需相位跟踪，其单光子勘探器的一切勘探计数容量都可以用于量子信号测量，使其在城际间隔上能完成比运用同频强参阅光相位跟踪技能的tfqkd协议高一个数量级的密钥率。
前述研讨作用打破了?臁辈饬可璞肝薰亓孔用茉糠址⒌穆肼?间隔捆绑，有助于大规划的量子通讯网络。审稿人

对此评价，“这是一个联接测量设备无关和双场量子密钥分发的奇妙办法”，“这项作业为tfqkd体系的改进供给了一个重要主张”。
论文一起第一作者为南京大学物理学院硕士研讨生谢元梅和陆玉硕，通讯作者为南京大学副教授尹华磊和教授陈增兵。研讨作业获得国家天然科学基金、江苏省天然科学基金、中心高校根柢科研事务费、南京江北新区要点研发方案等撑持。
责任修改：李跃群
校正：张艳