与测量设备无关的量子密钥分发的实验实现

在爱丽丝（鲍勃）的现场，简化的发射器包含一个激光源和一个编码器。编码器调制光脉冲的相位。应监测编码器的调制信息，以表征理想脉冲和实际脉冲之间的偏差。如果不受信任的查理是诚实的，他会使用干扰测量来测量接收到的信号。图片来源：中国科学出版社

近日，陈增兵教授和尹华磊副教授（南京大学固体微结构国家实验室、物理学院、先进微结构协同创新中心）课题组与北京凝聚态物理国家实验室、中国科学院物理研究所等院所合作，提出了一种四相测量-器件无关型量子密钥分发（QKD）协议和 实施原理验证实验以证明可行性。

该研究保证了协议的安全性，以防止任意源缺陷和探测器的所有攻击。它还在实验实施中用可测量的参数表征了源缺陷。实验结果表明，当信道损耗为20 dB时，安全密钥速率可以达到0.25 kbps。

在信道损耗为10 dB（约50公里光纤）的情况下，安全密钥速率可以达到91 kbps，可以满足语音通话的一次性平板加密要求。与以往考虑不完善源的测量无关QKD协议相比，本研究显著提高了安全密钥速率和传输距离，证明了在设备缺陷的安全QKD的实际部署中具有巨大的应用潜力。

研究结果发表在《科学通报》上。

与传统密钥分发相比，QKD 使两个远程参与者能够共享安全密钥位，用于秘密通信的加密和解密。QKD与一次性垫算法一起，为基于量子力学定律的信息交换提供了理论安全性。然而，对于QKD系统的实际操作，由于理论安全假设与实际设备之间的差异，仍然存在严重的安全漏洞。

确切地说，QKD的安全证明是在系统设备上建立假设的，由于固有的缺陷和窃听者的干扰，对于现实设备来说，这是无法满足的。这种偏差会导致更多的信息泄露给窃听者，这是用户无法注意到的。为了缩小差异并进一步加强对器件缺陷的安全性，提出了与器件无关的QKD和与测量器件无关的QKD。

与设备无关的 QKD 通过测量贝尔不等式的违反来保证 QKD 的无条件安全性，而无需对设备进行任何假设。最近，国际研究人员已经实现了与设备无关的QKD的原理验证实验，研究分别发表在《自然》和《物理评论快报》上。

然而，与器件无关的QKD的实验实现仍然存在传输距离短的问题，远未在长距离传输中实现。与测量设备无关的QKD协议可以通过引入不受信任的中间节点进行干扰测量，成功弥补探测器的所有漏洞。

与设备无关的QKD协议相比，与测量设备无关的QKD协议不需要对安全密钥速率更高、传输距离更长的中间节点做出任何假设。

例如，目前测量设备无关QKD协议的世界纪录是尹华磊等人实现的404 km双光子干涉测量器件独立QKD，以及王爽等人实现的833 km单光子干涉双场QKD。与测量设备无关的QKD协议被认为是具有实用安全性和效率的最佳选择。因此，解决与测量设备无关的QKD协议中的源缺陷非常重要。

QKD协议主要存在状态准备缺陷、模式依赖引起的侧信道、木马攻击和脉冲相关性等4种源缺陷。为了解决上述源缺陷造成的漏洞，该研究采用了最近提出的参考技术方法，对所引用的源缺陷进行了充分表征，并证明了四相测量设备无关QKD协议的安全性。

此外，该研究还测量了表征源缺陷的参数，并对协议进行了有限密钥分析，以帮助在实验中生成安全密钥速率。

此外，该研究还进行了原理验证实验，以证明该方案的可行性。实验利用Sagnac环路自动稳定通道的相位波动，所有光纤都保持极化。

更多信息：顾杰等，实验测量-与器件无关型量子密钥分布，有缺陷和相关来源，科学通报（2022）.DOI： 10.1016/j.scib.2022.10.010

期刊信息：物理评论快报，自然