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中科大實(shí)現(xiàn)國際最長距離的環(huán)回差分相位協(xié)議量子密碼分配 量子密鑰分配在理論上可以基于量子物理的基本原理，實(shí)現(xiàn)信息論意義上無條件安全的密鑰協(xié)商。但是，實(shí)際系統(tǒng)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鑰分配協(xié)議的保障能力。在現(xiàn)有的量子密鑰分配協(xié)議中，收發(fā)雙方均需要對協(xié)議的核心安全參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和監(jiān)測，以應(yīng)對實(shí)際環(huán)境等因素對系統(tǒng)造成的擾動(dòng)。這在增加系統(tǒng)復(fù)雜度的同時(shí)，會(huì)降低系統(tǒng)的效率，并有可能引入額外的安全性問題。 RRDPS協(xié)議是T. Sasaki等人在2014年提出的新型協(xié)議[Nature 509, 475-478 (2014)]，該方案在協(xié)議層面上確保實(shí)際物理系統(tǒng)的安全性，而不是以往僅在實(shí)際系統(tǒng)本身尋找解決安全性的途徑。該協(xié)議在多種可能的延遲量之中隨機(jī)選擇一個(gè)值將光脈沖序列進(jìn)行延遲，并測量前后脈沖之間的干涉結(jié)果，無需監(jiān)測環(huán)境對光子信號(hào)參數(shù)造成的擾動(dòng)，即可評(píng)估竊聽者獲取的信息量。但是，由于該協(xié)議的優(yōu)勢在延時(shí)量較長時(shí)才能得到充分的體現(xiàn)，且需要保持多種延時(shí)量和長延時(shí)條件下的干涉測量穩(wěn)定性，因而在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上具有較大難度。 為了充分驗(yàn)證這一新型協(xié)議的實(shí)用化前景，韓正甫小組發(fā)展了自主提出的“法拉第—邁克爾遜”型干涉儀，通過改進(jìn)制作工藝，顯著提高了其對稱精度，并采用高速主動(dòng)光學(xué)切換技術(shù)和主動(dòng)相位補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可在1-64個(gè)延遲比特位中進(jìn)行主動(dòng)選擇的高穩(wěn)定、多比特延時(shí)干涉儀，解決了這一協(xié)議的核心技術(shù)難點(diǎn)。課題組通過對實(shí)驗(yàn)使用的干涉儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，大大降低了插入損耗，并結(jié)合高速、低噪聲單光子探測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工作頻率達(dá)到1GHz、脈沖分組長度達(dá)到了65種的RRDPS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在考慮了密鑰有限長效應(yīng)等實(shí)際問題的條件下，實(shí)現(xiàn)了安全參數(shù)達(dá)到3×2-80，最長距離超過90公里的量子密鑰分配。這是第一個(gè)主動(dòng)調(diào)制的RRDPS實(shí)驗(yàn)，也是國際上傳輸距離最遠(yuǎn)的RRDPS協(xié)議實(shí)驗(yàn)。審稿人認(rèn)為，這是此類協(xié)議的實(shí)驗(yàn)工作中最為出色和令人印象深刻的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所用的器件均為目前的商用器件：使用InGaAs而非超導(dǎo)單光子探測器實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用價(jià)值的長距離密鑰傳輸；使用的干涉儀具有優(yōu)秀的可擴(kuò)展性，可以在僅增加2.4 dB損耗的條件下，將測量基的選擇增加到1024種。以上核心技術(shù)的應(yīng)用，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了RRDPS協(xié)議的實(shí)用價(jià)值，為推進(jìn)量子密鑰分配技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程提供了新的技術(shù)途徑。 中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王雙副研究員、銀振強(qiáng)副教授是這一工作的共同第一作者。該研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部的資助。 （中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、量子信息與量子科技前沿創(chuàng)新中心、科研部） 附論文鏈接：http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2015.209.html |
