清華大學(xué)物理系王向斌小組為400公里抗黑客攻擊量子密鑰分發(fā)做出重要貢獻(xiàn)

清華新聞網(wǎng)11月9日電 近日，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士及同事張強(qiáng)、陳騰云與清華大學(xué)、中科院微系統(tǒng)所、濟(jì)南量子技術(shù)研究院等單位科研人員組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，采用清華大學(xué)王向斌小組提出的4強(qiáng)度優(yōu)化理論方法（optimized four-intensity decoy-state method），在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)超過(guò)400公里抵御量子黑客攻擊的測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)，極大地推動(dòng)了兼顧安全和實(shí)用的遠(yuǎn)距離光纖量子通信的發(fā)展。

抗黑客攻擊量子密鑰分發(fā)示意圖。[PhysRevLett.117.190501]

本次實(shí)驗(yàn)采用4強(qiáng)度優(yōu)化理論方法，將量子密鑰分發(fā)安全傳輸記錄拓展至404公里超低損耗光纖（康寧公司提供）和311公里普通光纖距離，創(chuàng)造了量子密鑰分發(fā)光纖傳輸距離新的世界紀(jì)錄。特別值得指出的是，在相同現(xiàn)實(shí)條件下，即使利用完美單光子源，原始BB84協(xié)議也不能在這么長(zhǎng)的傳輸距離上得以實(shí)現(xiàn)。

11月2日，該成果以“在404公里光纖上實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)”（Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution Over a 404 km Optical Fiber）為題發(fā)表在國(guó)際物理學(xué)權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上，并入選當(dāng)期“編輯推薦”。美國(guó)著名科學(xué)新聞媒體《物理》雜志以量子密鑰傳輸距離翻番為焦點(diǎn)及時(shí)做出報(bào)道。審稿人評(píng)價(jià)“該實(shí)驗(yàn)為量子密鑰分發(fā)和量子通信最遠(yuǎn)傳輸記錄”“是一個(gè)杰出的成就”“打破BB84協(xié)議下單光子源的傳輸終極極限”。清華大學(xué)物理系王向斌教授是該論文的共同通訊作者，其小組成員于宗文和博士生周逸恒均被列入該論文的共同作者名單。

測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)（MDIQKD）可抵御所有量子黑客的探測(cè)器攻擊。自潘建偉團(tuán)隊(duì)于2013年完成國(guó)際上首個(gè)MDIQKD實(shí)驗(yàn)并于2014年將傳輸距離延伸到200公里以來(lái)，該技術(shù)在國(guó)際上受到高度關(guān)注。然而，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件下，MDIQKD的原始理論模型能給出的安全成碼率較低，嚴(yán)重限制了該量子通信技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。如何在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件下提高其安全成碼率，是提高量子保密通信使用價(jià)值的關(guān)鍵問(wèn)題之一。清華大學(xué)王向斌教授與博士生周逸恒及課題組成員于宗文于今年年初發(fā)表的理論論文中，提出了4強(qiáng)度優(yōu)化理論方法，通過(guò)理論分析表明該方法在采用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)和典型實(shí)驗(yàn)條件下，可以將成碼率提高近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，從而大幅度提高安全成碼率和安全傳輸距離，極大提升MDIQKD技術(shù)的實(shí)用價(jià)值。

相比2014年的200公里傳輸實(shí)驗(yàn)，本次實(shí)驗(yàn)在207公里處的安全成碼率提高了500多倍，其中50多倍的提高來(lái)自4強(qiáng)度優(yōu)化理論方法，另有10倍的提高是來(lái)自實(shí)驗(yàn)技術(shù)自身的改進(jìn)。此外，該實(shí)驗(yàn)在102公里的安全成碼率已經(jīng)足以保證安全的語(yǔ)音通話，從而充分驗(yàn)證了MDIQKD技術(shù)具有很大的實(shí)用價(jià)值。

該研究工作得到了中科院、基金委、科技部、教育部量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心以及山東省和濟(jì)南高新區(qū)的支持。4強(qiáng)度優(yōu)化理論方法的研究還得到了清華大學(xué)低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題的支持。

論文鏈接：http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.190501

供稿：物理系 編輯：李華山 田心