本文摘要:从世界第一颗量子卫星墨子的发射,到世界第一条量子保密通信干线京沪的开通,再到量子密钥分发距离的大幅缩短,中国的量子通信技术一直走在世界前列。

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从世界第一颗量子卫星墨子的发射,到世界第一条量子保密通信干线京沪的开通,再到量子密钥分发距离的大幅缩短,中国的量子通信技术一直走在世界前列。近日,中国科学技术大学潘建伟团队与清华大学王团队又堪称强强联合,突破了远距离独立国家的激光振幅干涉技术,构建了500 km真实环境光纤的双场量子密钥分发(TF-。2020年2月20日,上述团队命名为用独立激光器发送或不发送:安全双场量子密钥分发超过509 km(发送-不发送到独立国家激光器:509 km安全双场量子密钥分发)结果发表在《物理学评论快报》 (Physical Review Letters)上,这是一份世界知名的物理学顶级学术周刊,被选为“编辑推荐”文章发送到-不发送到”双域量子密钥分发方案在密码学中,密钥是指已经应用于加密、解密和完整性检查等密码学的秘密信息。

本质上,自从人类在语言中使用密钥加密信息以来,它已经得到了很大的发展。1984年,物理学家贝内特和密码学家布拉萨德明确提出了世界上第一个基于量子力学测量原理的量子密钥发布协议(BB84协议),旨在减小安全通信距离,提高安全性。根据该协议,量子密钥分发(QKD)可以为异地用户获得无条件安全的共享密钥,明显保证了密钥的安全性。

然而,由于对通信光纤损耗、探测器噪声等的容忍。量子密钥分发系统一般不能在100公里内达到——的高编码率。在没有量子中继的情况下(中继指的是两个交换中心之间的一条传输路径),安全编码率不受线性限制的约束。

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【外部黑客攻击量子密钥分发示意图】基于此,清华大学物理系教授、清华大学密码学中心副主任、济南量子技术研究所所长、本文作者之一王明确提出了一种新的量子密钥分发方案——“发送到-不发送到”的双域量子密钥分发方案。据报道,该方案巧妙地利用了单光子干涉的特点,大大提高了对幅度噪声的忽略能力和安全性,即使在长距离传输中也能保持量子密钥的高编码率。很简单的说,双场量子密钥看起来就像一对孪生手,甚至可以在没有中继的情况下突破码率的线性边界。

2019年,中国“量子之父”、中科院院士潘建伟及其团队在真实环境下完成了300 km光纤的双场量子密钥分发实验。但据了解,双场量子密钥的技术排斥非常严格:排斥两个远程独立国家激光器的单光子干涉;需要通过单光子观测结果,构建长距离光纤链路慢漂移的精确估计;它必须满足低计数率、高效率和超低明计数的单光子探测器的要求。这一次,研究小组应用了上述方案,在宽度为509 km的超低损耗光纤上进行的实验证明了一种安全的密钥分发,突破了无中继量子密钥,意味着密钥速率是允许的,成功创造了地基量子密钥分发最远距离的新世界纪录。

具体来说,潘建伟团队在王明确提出的“发送到-不发送到”双场量子密钥分配方案的基础上,开发了时频传输技术和激光流瞄准技术,瞄准两个独立国家的远程激光器波长完全相同,利用可选的振幅参考光来估计光纤相对较慢的漂移。同时,团队集成了中科院上海微系统研究所开发的高计数率低噪声的单光子探测器,最终将量子密钥发送的安全编码距离推向订单
右边是实验装置的示意图。爱丽丝和鲍勃是远程锁频静止连续波激光器,由幅度调制器(PM)和三个强度调制器(IM1、IM2和IM3)调制,用于幅度随机化、编码和诱饵强度调制。

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另外,ATT是衰减器,PC是偏振控制器,PBS是偏振分束器,DWDM是密集波分复用器,CIR是环行器,BS是分束器,FM是法拉第镜,PD是光电二极管。该文认为,光纤在509 km处的编码率比传统无中继量子密钥分配的比较极限低7倍,即理想观测装置(探测器效率为100%)下的无中继量子密钥分配是无限的。此外,如果将系统的重复频率升级到京沪干线等长距离量子通信网络中使用的1GHz,300km处的编码速率可以达到5kbps左右,从而大大增加骨干光纤量子通信网络中可靠中继的数量,大大提高光纤量子保密通信网络的安全性。

本质上,2020年3月2日,国际学术期刊《大自然》(自然光子学)发表了潘建伟院士等人的另一项研究成果。这个名字是量子密钥分配的实现,摆脱了线性速率-透射率的限制。(微信官方账号:)注意到本研究基于清华大学马教授明确提出的基于振幅的量子密钥分配(PM-QKD)协议,进一步推进了远程量子通信的发展,为新兴的量子互联网奠定了基础。2019年9月10日,在由中国科学院和德国国家科学院(Leopoldina)牵头的首次双边研讨会上,潘建伟院士曾回应称,构建远程安全量子通信的征程面临两大挑战,即现实条件下的安全和远程传输。

可见这项研究对量子通信意义重大,我们也期待中国研究者有更好的突破!参考文献:https://journals . APS . org/PRL/abstract/10.1103/phystrevlett . 124.070501 https://MP . weixin . QQ.com/s/yhc1 zdeaq2tqksxk1j 52 na https://www . nature.com/articles以下为发布通知。

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