中國(guó)科學(xué)家創(chuàng)造量子通信新紀(jì)錄
首次實(shí)現(xiàn)超400公里的抗黑客攻擊量子密鑰分發(fā)

近日，《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表了中國(guó)科學(xué)家在量子通信領(lǐng)域創(chuàng)造的新世界紀(jì)錄，中國(guó)科技大學(xué)潘建偉及其同事張強(qiáng)、陳騰云，與清華大學(xué)王向斌及中科院上海微系統(tǒng)所、濟(jì)南量子技術(shù)研究院等單位科研人員合作，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。

量子密鑰分發(fā)可以為分隔兩地的用戶(hù)提供無(wú)條件安全的共享密鑰。從1984年第一個(gè)量子密鑰分發(fā)協(xié)議（BB84協(xié)議）提出以來(lái)，增加安全通信距離、提高安全成碼率和提高現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的安全性是開(kāi)發(fā)實(shí)用性量子密鑰分發(fā)最重要的3個(gè)目標(biāo)。

近年來(lái)，中國(guó)科大潘建偉小組圍繞上述3個(gè)目標(biāo)進(jìn)行了原創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)研究，取得了一系列國(guó)際領(lǐng)先的成果：2013年，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的量子密鑰分發(fā)，徹底解決了所有針對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的黑客攻擊，被美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選為2013年度國(guó)際物理學(xué)重大進(jìn)展；2014年，將測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的量子密鑰分發(fā)安全通信距離拓展至200公里，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄；2016年，又在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了基于非可信中繼的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。然而，這些實(shí)驗(yàn)的安全成碼率較低，嚴(yán)重限制了該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

針對(duì)此問(wèn)題，清華大學(xué)王向斌小組提出了4強(qiáng)度優(yōu)化理論方法，可以大幅度提高安全成碼率和安全距離。理論分析表明，該方法在典型實(shí)驗(yàn)條件下可以將成碼率提高近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，從而大幅度提高實(shí)用化水平。

2016年，潘建偉小組進(jìn)一步通過(guò)發(fā)展穩(wěn)定的雙光子干涉技術(shù)和系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定技術(shù)，采用王向斌教授發(fā)展的理論方法，結(jié)合上海微系統(tǒng)所尤立星研究員研制的高效低噪聲超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，成功地將測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的量子密鑰分發(fā)安全傳輸紀(jì)錄拓展至404公里超低損耗光纖和311公里普通光纖距離，創(chuàng)造了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，BB84協(xié)議也不能在這么長(zhǎng)的傳輸距離上實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)在207公里處的安全成碼率比2014年的200公里實(shí)驗(yàn)提高了500多倍；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)證了測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)的實(shí)用性。

該成果近日發(fā)表在國(guó)際物理學(xué)權(quán)威期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上，審稿人高度評(píng)價(jià)它“是一個(gè)杰出的成就”“打破了BB84協(xié)議下單光子源的傳輸終極極限”。（記者 佘惠敏、通訊員 楊保國(guó)）