量子|量子密钥分发的新纪录让城市间量子通信网络又近一步( 二 )

“总的来说，双场协议对实验技术提出了很高的要求。在理论上，这个协议的安全性不是基于单光子描述的，因此较为复杂，所以理论上怎么证明安全性，怎么分析各种非完美特性也是必须要解决的问题。 ”韩正甫说。
经过一番认真的研究，韩正甫和他的团队认为，这个协议提出的主要目的是突破“密钥率—信道损耗”极限。国外也有理论物理学家证明，原则上任何端到端的协议都不能突破一个叫做线性界的极限，因此传输距离非常受限。 “双场协议把测量装置挪到了信道中间，基于单光子干涉，从而绕开了线性界的束缚，开辟了新的研究方向，是一个创新性很强的工作。 ”韩正甫说。
“但是双场协议刚提出时，其安全性证明并不完善，且实验上需要全局相位随机化，并在传输后，由用户筛选出相位匹配的情况才能产生密钥，这些步骤降低了密钥率，实验实现也比较复杂。因此，在理论和实验上，双场协议开辟了新的方向，但是也意味着需要解决很多问题。 ”韩正甫表示，创新有时必须先从突破固有理论开始。
郭光灿、韩正甫研究组在2019年首先提出了免相位后选择的双场类协议，并首次在300公里光纤信道中验证了此类协议的可行性。
创立四相位调制双场协议新理论
“2018年，我们团队首次在理论上证明，双场协议的编码模式，可以不做相位随机化，也就不用相位后选择，这样密钥率可以显著提高，实验也实现大幅度简化。 ”韩正甫告诉采访人员，他们的这个理论创新，当时令很多同行感到意外。因为之前学术界认为，全局随机化是安全性的必要保障。
免相位后选择协议的简洁性和高密钥率的优势，使得该协议成为量子通信领域竞相讨论的热点之一。 “当然我们也注意到，我们的免相位后选择协议由于编码时完全丢弃了相位随机化，极限安全距离有些降低。后来我们想到，或许可以在编码时适当增加几个相位，这样可以进一步混淆窃听者的信息，从而延长安全距离。 ”韩正甫表示，他们设计出的四相位调制的双场协议，结合了免相位后选择协议和后选择协议的一些特点，在极限情况下有特别的优势。
经过2年多的探索，郭光灿、韩正甫团队提出了改进的四相位调制双场协议，并进一步提升了独立光源的锁相稳频技术、高带宽信道相位补偿技术、高信噪比的单光子探测信号甄别技术等关键技术，将光纤双场量子密钥分发的安全传输距离延长至833公里。
大胆而严谨的理论创新，为中国量子通信在竞争激烈的国际赛道上又一次赢得优势。韩正甫团队的这项成果不仅将光纤量子密钥分发距离从500多公里大幅提升至833公里，而且将安全码率提升了50—1000倍，在实现千公里量级陆基广域量子保密通信网络的道路上迈出重要一步。
“创新没有止境，未来量子密钥分发的极限传输距离还很难预测。但是基于目前的发展趋势，达到1000公里左右应该是把握较大的。 ”韩正甫告诉采访人员，基于双场类的协议，千公里的量子密钥分发（QKD）骨干线路可能实现。对于幅员辽阔的中国来说，实现大范围国家中心城市之间的量子通信网络有很大价值。
韩正甫也坦言，从根本上看，双场协议并不能改变密钥率随着距离指数衰减的事实，未来的洲际量子通信还是需要借助量子中继。 “但是，量子中继真正实用可能还需要比较长的时间，双场协议可以解决当前的大部分问题。 ”韩正甫说。采访人员吴长锋

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