中国科大实现设备无关量子密钥分发

 近日，中国科学技术大学潘建伟及其同事张强、徐飞虎等，通过发展设备无关理论协议和构建高效率的光学量子纠缠系统，首次在国际上实验实现了设备无关量子密钥分发（DI-QKD）的原理性演示，相关研究成果以编辑推荐（Editors' Suggestion）的形式于7月28日在线发表在《物理评论快报》上，并被美国物理学会（APS）下属网站Physics以”Hiding Secrets Using Quantum Entanglement”为题报道。

        量子密钥分发（QKD）相比于传统通信协议，能够使得两个远距离的用户之间共享信息理论安全性的密钥，结合一次一密的加密方式，可以确保原理上无条件安全的通信。传统QKD方案通常需要对使用的设备有一定的了解和信任，然而在现实条件下，设备可能存在着某些不完美的特性。这些特性往往会为攻击者提供威胁系统安全的侧信道，造成现实条件下的潜在安全隐患。目前的主要解决方案是对设备进行检测并制定相关标准，从而确保其在现实条件下的安全性[Rev. Mod. Phys. 92, 025002 (2020)]。

        设备无关量子密钥分发（DI-QKD）基于无漏洞量子力学基础检验，提供了一套全新的不依赖于设备具体功能和特性的安全成码方案。基于该协议，不需要对设备进行任何标定，通过贝尔不等式的违背便可以保证QKD的现实安全性，一直受到国内外学术界的高度重视和广泛关注。然而，DI-QKD的实现十分困难，例如在光学系统中，现有理论大都给出了不低于90%的系统探测效率要求，远远超出了现有的技术水平。

                                                                        图1设备无关量子密钥分发实验装置

        为了实现这一目标，潘建伟团队分别从理论和实验两方面进行探索研究。理论方面，他们提出原创的随机后选择DI-QKD理论方案[Phys. Rev. Lett. 128, 110506 (2022)]。其核心思想是通过在实验测量结果中随机添加噪声，并将其中包含少量关联信息但拥有较大错误的结果剔除掉，从而有效提升系统对于损耗的容忍度，使得现有技术水平下DI-QKD的实现成为可能。实验方面，他们利用自发参量下转换的原理，通过优化空间光路的参数搭建了高效率的光学纠缠源，并结合高效率的单光子探测器，使系统效率达到87.5%，超过了以往所有报道的相关光学实验。同时，通过调整非线性晶体的摆放角度来限制其对于参量光的反射，使实验中产生的量子态保真度达到99.5%，满足了理论方案对于系统性能的要求。在此基础上，潘建伟团队首次实现了基于全光学系统的DI-QKD原理演示，成码率达到466 bps，并且验证了该系统在光纤长度达到220m时仍然可以产生安全的量子密钥。

        这是潘建伟团队在设备无关量子信息处理方面，继设备无关量子力学基础检验[Phys. Rev. Lett. 118, 140402 (2017), Phys. Rev. Lett. 121, 080404 (2018)]和设备无关量子随机数产生[Nature 562, 548 (2018), Nature Physics 17, 448 (2021)]之后的又一重要进展。这项工作对于揭示量子力学基础检验和量子信息处理之间内在的深刻联系，发展安全的密钥分发、构建未来的量子网络均具有重要的意义。

        与此同时，另外两篇国际同行基于离子和原子的相关工作也于近日在《自然》（Nature）杂志发表，这一系列工作为未来具有设备无关安全性的量子通信的广泛应用迈出重要一步。

        博士生刘文钊和张昱哲是实验论文的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、上海市、安徽省等的支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.050502

APS Physics网站链接：https://physics.aps.org/articles/v15/116

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、中科院量子创新研究院、科研部）