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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陳騰云等與清華大學(xué)馬雄峰合作，首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了模式匹配量子密鑰分發(fā)(Mode-pairing QKD)，相關(guān)研究成果于1月17日發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

圖1.模式匹配量子密鑰分發(fā)協(xié)議示意圖

量子密鑰分發(fā)(QKD)基于量子力學(xué)基本原理，可以實(shí)現(xiàn)理論上無條件安全的保密通信，因此在近幾十年來一直是學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。模式匹配量子密鑰分發(fā)協(xié)議(MP-QKD)是由清華大學(xué)馬雄峰研究組于2022年提出的一種新型測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議，要求通信雙方首先將信息編碼在單個光學(xué)模式中，基于探測響應(yīng)結(jié)果，通信雙方按照一定規(guī)則進(jìn)行配對，再根據(jù)配對情況進(jìn)行基矢比對、參數(shù)估計等后處理操作來產(chǎn)生最終的安全密鑰。相較于原始的測量設(shè)備無關(guān)協(xié)議(MDI-QKD)，MP-QKD可以將更多的探測事件用于成碼，可以很大程度提高成碼率；相較于雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議(TF-QKD)和相位匹配協(xié)議（PM-QKD），MP-QKD無需復(fù)雜的激光器鎖頻鎖相技術(shù)，節(jié)省成本且降低了實(shí)際應(yīng)用難度，同時對環(huán)境噪聲有更好的抗干擾能力。

潘建偉、陳騰云研究組基于清華大學(xué)馬雄峰研究組提出的模式匹配量子密鑰分發(fā)(MP-QKD)協(xié)議，利用極大似然估計的數(shù)據(jù)后處理方法精確地估算出兩個獨(dú)立激光器的頻率差用于參數(shù)估計，并結(jié)合中科院上海微系統(tǒng)所尤立星團(tuán)隊(duì)研制的高效率單光子探測器，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)光纖百公里級、兩百公里級、三百公里級以及超低損光纖四百公里級的安全成碼，相較于之前的原始MDI實(shí)驗(yàn)，成碼率有明顯提升，并且在三百公里和四百公里距離上較之前實(shí)驗(yàn)成碼率提升了3個數(shù)量級。

圖2.模式匹配協(xié)議的成碼率比較圖

上述研究成果表明，MP-QKD在不需激光器鎖頻鎖相的條件下可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離安全成碼且在城域距離有較高成碼率，極大地降低了協(xié)議實(shí)現(xiàn)難度，對未來量子通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建具有重要意義。

本研究論文的第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生朱浩滔和清華大學(xué)博士生黃溢智。該工作得到了科技部、中科院、國家自然科學(xué)基金委、安徽省等的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.030801

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）