王向斌小组为400公里抗黑客攻击量子密钥分发做出重要贡献

 

最近,中国科学技术大学潘建伟院士及同事张强、陈腾云与清华大学、中科院微系统所、济南量子技术研究院等单位科研人员组成的联合团队,采用清华大学王向斌小组提出的4强度优化理论方法(optimized four-intensity decoy-state method),在国际上首次实现超过400公里抵御量子黑客攻击的测量设备无关量子密钥分发,极大地推动了兼顾安全和实用的远距离光纤量子通信的发展。该成果近日发表在国际物理学权威学术期刊《物理评论快报》上[Physical Review Letters 117, 190501 (2016)],被选为“编辑推荐”(Editors’ Suggestion),并被美国著名科学新闻媒体《物理》杂志报道。该实验得到审稿人的高度评价,称赞“该实验为量子密钥分发和量子通信最远传输记录”,“是一个杰出的成就”,“打破BB84协议下单光子源的传输终极极限”。王向斌教授是该论文的共同通讯作者,其小组成员于宗文和博士生周逸恒均被列入该论文的共同作者名单。

 

 

测量设备无关量子密钥分发(MDIQKD)可抵御所有量子黑客的探测器攻击。自潘建伟团队于2013年完成国际上首个测量设备无关量子密钥分发实验和于2014年完成200公里测量设备无关量子密钥分发实验以来,测量设备无关量子密钥分发在国际上受到空前高度的关注。然而,在现有实验技术条件下,测量设备无关量子密钥分发的原始理论模型能给出的安全成码率较低,严重限制了该量子通信技术的实际应用。如何提高测量设备无关量子密钥分发的成码率使其在现有实验技术条件下具有实用价值便成了量子保密通信的关键核心问题。针对此问题,清华大学王向斌教授与他的博士生周逸恒和课题组成员于宗文提出了4强度优化理论方法[Physical Review A 93,042324 (2016)],可以大幅度提高安全成码率和安全距离。理论分析表明,只用现有实验技术,该方法在典型实验条件下可以将成码率提高近两个数量级,从而大幅度提高实用化水平。

本次实验采用4强度优化理论方法,将量子密钥分发安全传输记录拓展至404公里超低损耗光纤(康宁公司提供)和311公里普通光纤距离,创造了量子密钥分发光纤传输距离新的世界纪录。特别值得指出的是,在相同现实条件下,即使利用完美单光子源,原始BB84协议也不能在这么长的传输距离上得以实现。

本次实验在207公里处的安全成码率相比2014年的200公里实验提高了500多倍,其中50多倍的提高来自4强度优化理论方法,而另有10倍的提高是来自实验技术自身的改进。该实验在102公里的安全成码率已经足以保证安全的语音通话,从而充分验证了测量设备无关量子密钥分发的实用性。

该研究工作得到了中科院、基金委、科技部、教育部量子信息与量子科技前沿协同创新中心以及山东省和济南高新区的支持。而4强度优化理论方法的研究还得到了清华大学低维量子物理国家重点实验室开放课题的支持。