近日，我校物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心陈增兵和尹华磊等人在长距离离散调制连续变量量子密钥分发理论中取得新进展，提出了一种新型离散四相调制协议，能够允许低成本、高性能、室温工作的平衡零差探测器进行远距离、高码率的量子密钥分发。模拟结果显示，新协议较之前的四相调制零差探测协议对噪声的容忍能力提升近一倍，成码率与最大传输距离得到大幅提升，因此有望利用该协议实现低成本高效率的量子保密通信网络的搭建。
量子密钥分发技术是应对量子计算时代信息安全问题的重要技术手段之一。利用量子物理基本原理，量子密钥分发允许通信双方分享信息理论安全的全同且随机的隐私密钥，用于安全加密通信。连续变量协议易于继承高速经典相干光通信技术，能够实现多波长量子信道复用，在短距离具有较高成码率的优势，已经成为量子密钥分发的一个重要研究方向。相比于高斯调制方案，离散调制可以极大降低量子态制备的复杂性，简化后处理，减少计算资源的消耗。近年来，离散调制协议取得重要进展，法国科学家实现可抵御集体攻击的外差四相协议[PRX 9, 021059 (2019)]；加拿大科学家通过非线性数值方法获得与高斯方案码率相比拟的外差四相协议[PRX 9, 041012 (2019)]；日本科学家实现在有限密钥条件下抵御相干攻击的外差二相协议[Nature Commun. 12, 252 (2021)]。
图1 零差四相协议示意图和码率模拟曲线
为了进一步推动离散调制协议的实用化，陈增兵研究组发现发送方在双方基矢信息比对时可能额外泄露信息，导致零差协议与外差协议的性能相比差距甚远。研究组通过巧妙的设计使得发送的量子态同时携带两个被测基矢的信息，接收方可以使用零差探测方式自由选择一个基矢进行检测。发送方由此不必宣称基矢信息，从而截断了信息泄露的途径。在这种情况下，新协议的额外噪声容忍能力显著提高，成码率以及传输距离都大幅度提升。研究组还对离散四相调制协议采用外差探测与零差探测的实用性进行了比较。由于量子不确定性关系，外差探测在理想设备条件下的优势相较于零差探测并不明显。此外，由于实际装置的复杂性，外差探测的成码率优势进一步减小，甚至被反超。新协议不仅降低了成本、简化了装置，还提升了成码率和最大传输距离，变得更加实用。与此同时，它揭示了在现有的各类量子安全协议中，可能存在的一种不必要的信息泄露方式，对该方式的优化有望在设备独立的量子密钥分发研究中得到应用。
该成果11月12日以研究长文的形式在线发表在美国物理学会期刊[PRX Quantum 2, 040334 (2021)]上。论文第一作者为南京大学物理学院博士研究生刘文博，通信作者为南京大学尹华磊副教授和陈增兵教授。该研究工作受到国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划、中央高校基本科研业务费的资助。
论文链接：https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.2.040334