中國科大實現(xiàn)設備無關量子密鑰分發(fā)
近日，中國科學技術大學潘建偉及其同事張強、徐飛虎等，通過發(fā)展設備無關理論協(xié)議和構建高效率的光學量子糾纏系統(tǒng)，首次在國際上實驗實現(xiàn)了設備無關量子密鑰分發(fā)（DI-QKD）的原理性演示，相關研究成果以編輯推薦（Editors' Suggestion）的形式于7月28日在線發(fā)表在《物理評論快報》上，并被美國物理學會（APS）下屬網(wǎng)站Physics以”Hiding Secrets Using Quantum Entanglement”為題報道。 sD ,=_q@
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量子密鑰分發(fā)（QKD）相比于傳統(tǒng)通信協(xié)議，能夠使得兩個遠距離的用戶之間共享信息理論安全性的密鑰，結合一次一密的加密方式，可以確保原理上無條件安全的通信。傳統(tǒng)QKD方案通常需要對使用的設備有一定的了解和信任，然而在現(xiàn)實條件下，設備可能存在著某些不完美的特性。這些特性往往會為攻擊者提供威脅系統(tǒng)安全的側信道，造成現(xiàn)實條件下的潛在安全隱患。目前的主要解決方案是對設備進行檢測并制定相關標準，從而確保其在現(xiàn)實條件下的安全性[Rev. Mod. Phys. 92, 025002 (2020)]。 4^(aG7
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設備無關量子密鑰分發(fā)（DI-QKD）基于無漏洞量子力學基礎檢驗，提供了一套全新的不依賴于設備具體功能和特性的安全成碼方案�；谠搮f(xié)議，不需要對設備進行任何標定，通過貝爾不等式的違背便可以保證QKD的現(xiàn)實安全性，一直受到國內(nèi)外學術界的高度重視和廣泛關注。然而，DI-QKD的實現(xiàn)十分困難，例如在光學系統(tǒng)中，現(xiàn)有理論大都給出了不低于90%的系統(tǒng)探測效率要求，遠遠超出了現(xiàn)有的技術水平。 E*AI}:or;
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圖1設備無關量子密鑰分發(fā)實驗裝置 qd<-{
為了實現(xiàn)這一目標，潘建偉團隊分別從理論和實驗兩方面進行探索研究。理論方面，他們提出原創(chuàng)的隨機后選擇DI-QKD理論方案[Phys. Rev. Lett. 128, 110506 (2022)]。其核心思想是通過在實驗測量結果中隨機添加噪聲，并將其中包含少量關聯(lián)信息但擁有較大錯誤的結果剔除掉，從而有效提升系統(tǒng)對于損耗的容忍度，使得現(xiàn)有技術水平下DI-QKD的實現(xiàn)成為可能。實驗方面，他們利用自發(fā)參量下轉換的原理，通過優(yōu)化空間光路的參數(shù)搭建了高效率的光學糾纏源，并結合高效率的單光子探測器，使系統(tǒng)效率達到87.5%，超過了以往所有報道的相關光學實驗。同時，通過調(diào)整非線性晶體的擺放角度來限制其對于參量光的反射，使實驗中產(chǎn)生的量子態(tài)保真度達到99.5%，滿足了理論方案對于系統(tǒng)性能的要求。在此基礎上，潘建偉團隊首次實現(xiàn)了基于全光學系統(tǒng)的DI-QKD原理演示，成碼率達到466 bps，并且驗證了該系統(tǒng)在光纖長度達到220m時仍然可以產(chǎn)生安全的量子密鑰。 yQ!I`T>a
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這是潘建偉團隊在設備無關量子信息處理方面，繼設備無關量子力學基礎檢驗[Phys. Rev. Lett. 118, 140402 (2017), Phys. Rev. Lett. 121, 080404 (2018)]和設備無關量子隨機數(shù)產(chǎn)生[Nature 562, 548 (2018), Nature Physics 17, 448 (2021)]之后的又一重要進展。這項工作對于揭示量子力學基礎檢驗和量子信息處理之間內(nèi)在的深刻聯(lián)系，發(fā)展安全的密鑰分發(fā)、構建未來的量子網(wǎng)絡均具有重要的意義。 ko {7^]gR
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與此同時，另外兩篇國際同行基于離子和原子的相關工作也于近日在《自然》（Nature）雜志發(fā)表，這一系列工作為未來具有設備無關安全性的量子通信的廣泛應用邁出重要一步。 S7
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博士生劉文釗和張昱哲是實驗論文的共同第一作者。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部、上海市、安徽省等的支持。 MSaOFv_Q
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文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.050502 !9t,#?!
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APS Physics網(wǎng)站鏈接：https://physics.aps.org/articles/v15/116
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