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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事張強(qiáng)、徐飛虎等，通過發(fā)展設(shè)備無關(guān)理論協(xié)議和構(gòu)建高效率的光學(xué)量子糾纏系統(tǒng)，首次在國際上實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)（DI-QKD）的原理性演示，相關(guān)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(bào)》上，并被美國物理學(xué)會（APS）下屬網(wǎng)站Physics以”Hiding Secrets Using Quantum Entanglement”為題報(bào)道。

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(yuǎn)距離的用戶之間共享信息理論安全性的密鑰，結(jié)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(shè)備有一定的了解和信任，然而在現(xiàn)實(shí)條件下，設(shè)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(cè)信道，造成現(xiàn)實(shí)條件下的潛在安全隱患。目前的主要解決方案是對設(shè)備進(jìn)行檢測并制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從而確保其在現(xiàn)實(shí)條件下的安全性[Rev. Mod. Phys. 92, 025002 (2020)]。

設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)（DI-QKD）基于無漏洞量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)，提供了一套全新的不依賴于設(shè)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(shè)備進(jìn)行任何標(biāo)定，通過貝爾不等式的違背便可以保證QKD的現(xiàn)實(shí)安全性，一直受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的高度重視和廣泛關(guān)注。然而，DI-QKD的實(shí)現(xiàn)十分困難，例如在光學(xué)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(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)有的技術(shù)水平。

圖1設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，潘建偉團(tuán)隊(duì)分別從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面進(jìn)行探索研究。理論方面，他們提出原創(chuàng)的隨機(jī)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(shí)驗(yàn)測量結(jié)果中隨機(jī)添加噪聲，并將其中包含少量關(guān)聯(lián)信息但擁有較大錯誤的結(jié)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(shù)水平下DI-QKD的實(shí)現(xiàn)成為可能。實(shí)驗(yàn)方面，他們利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)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(xué)糾纏源，并結(jié)合高效率的單光子探測器，使系統(tǒng)效率達(dá)到87.5%，超過了以往所有報(bào)道的相關(guān)光學(xué)實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的量子態(tài)保真度達(dá)到99.5%，滿足了理論方案對于系統(tǒng)性能的要求。在此基礎(chǔ)上，潘建偉團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了基于全光學(xué)系統(tǒng)的DI-QKD原理演示，成碼率達(dá)到466 bps，并且驗(yàn)證了該系統(tǒng)在光纖長度達(dá)到220m時仍然可以產(chǎn)生安全的量子密鑰。

這是潘建偉團(tuán)隊(duì)在設(shè)備無關(guān)量子信息處理方面，繼設(shè)備無關(guān)量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)[Phys. Rev. Lett. 118, 140402 (2017), Phys. Rev. Lett. 121, 080404 (2018)]和設(shè)備無關(guān)量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生[Nature 562, 548 (2018), Nature Physics 17, 448 (2021)]之后的又一重要進(jìn)展。這項(xiàng)工作對于揭示量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)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(gòu)建未來的量子網(wǎng)絡(luò)均具有重要的意義。

與此同時，另外兩篇國際同行基于離子和原子的相關(guān)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(shè)備無關(guān)安全性的量子通信的廣泛應(yīng)用邁出重要一步。

博士生劉文釗和張昱哲是實(shí)驗(yàn)論文的共同第一作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、上海市、安徽省等的支持。

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.050502

APS Physics網(wǎng)站鏈接：https://physics.aps.org/articles/v15/116

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（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、中科院量子創(chuàng)新研究院、科研部）