中國科大實現模式匹配量子密鑰分發

　　【儀表網 儀表研發】近日，中國科學技術大學潘建偉、陳騰云等與清華大學馬雄峰合作，首次在實驗上實現了模式匹配量子密鑰分發(Mode-pairing QKD)，相關研究成果于1月17日發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。
 

圖1.模式匹配量子密鑰分發協議示意圖
 

　　量子密鑰分發(QKD)基于量子力學基本原理，可以實現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術界的研究熱點。模式匹配量子密鑰分發協議(MP-QKD)是由清華大學馬雄峰研究組于2022年提出的一種新型測量設備無關量子密鑰分發協議，要求通信雙方首先將信息編碼在單個光學模式中，基于探測響應結果，通信雙方按照一定規則進行配對，再根據配對情況進行基矢比對、參數估計等后處理操作來產生最終的安全密鑰。相較于原始的測量設備無關協議(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協議(TF-QKD)和相位匹配協議(PM-QKD)，MP-QKD無需復雜的激光器鎖頻鎖相技術，節省成本且降低了實際應用難度，同時對環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馬雄峰研究組提出的模式匹配量子密鑰分發(MP-QKD)協議，利用極大似然估計的數據后處理方法精確地估算出兩個獨立激光器的頻率差用于參數估計，并結合中科院上海微系統所尤立星團隊研制的高效率單光子探測器，實現了實驗室標準光纖百公里級、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實驗，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驗成碼率提升了3個數量級。
 

圖2.模式匹配協議的成碼率比較圖
 

　　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現遠距離安全成碼且在城域距離有較高成碼率，極大地降低了協議實現難度，對未來量子通信網絡構建具有重要意義。
 

　　本研究論文的第一作者為中國科學技術大學博士生朱浩滔和清華大學博士生黃溢智。該工作得到了科技部、中科院、國家自然科學基金委、安徽省等的資助。(合肥微尺度物質科學國家研究中心、中科院量子信息和量子科技創新研究院、科研部)