近日，清华大学交叉信息院马雄峰研究组与中国科学技术大学潘建伟、陈腾云等人及中国电信研究院量子团队、中国电信浙江分公司合作，首次在城际光纤环境下实现了模式匹配量子密钥分发（MP-QKD）。在无需锁频锁相的两个独立激光器条件下，他们验证了光纤总长195公里对称信道及127公里非对称信道的安全成码，安全密钥率超过1 kbps，证实了模式匹配量子密钥分发的实用价值及高成码率。相关研究成果于6月19日发表在《光学》（Optica）上。

科研概要

量子密钥分发基于量子不可克隆原理，可为通信双方产生理论上无条件安全的随机密钥，保证了信息传输过程中的安全性。模式匹配量子密钥分发是由清华大学马雄峰教授及当时组内的博士生曾培、周泓伊，本科生吴蔚捷于2022年提出的一种新型量子密钥分发协议[Nature Communications, 13.1 (2022)]，该协议提出先测量后配对的方案，在提升对噪声抗干扰能力的同时免除了复杂昂贵的相位锁定技术，结合了双场协议和相位匹配协议的高成码率以及传统测量设备无关协议的实用性。后续马雄峰团队与中国科大潘建伟团队首次在实验室内完成对该协议的演示 [Physical Review Letters 130.3 (2023)]，验证了MP-QKD协议较传统测量设备无关协议在安全密钥率上的显著优势，同时展示了其在不需激光器锁频锁相的条件下可以实现远距离安全成码且在城域距离有较高成码率，极大地降低了协议实现难度，是一种实用性强、成码率高的新型量子密钥分发协议。

尽管MP-QKD协议在实验室中的可靠性已经得到了充分验证，但实际的量子网络环境更为复杂多变，量子信号光强微弱，光纤噪声串扰、环境温度、声音和震动等因素都会干扰量子信号，给现场环境中MP-QKD协议的可行性提出了挑战。

为了进一步验证MP协议在实际环境下的表现，马雄峰教授与组内博士生黄溢智与潘建伟团队合作，利用布置于浙江省金华、丽水、义乌、武义四个城市之间的实地光纤，以武义作为量子信号探测节点，构建了金华-武义-丽水、义乌-武义-丽水两条对称信道以及非对称信道量子通信链路。团队设计并发展了独立激光器之间频率差估算方案，在不同类型信道下对量子参考光光强进行参数优化以降低频率差估算错误率，同时发展了非对称信道下模式匹配量子密钥分发的有限码长分析方法，最终成功实现了对称信道下1.217 kbps以及非对称信道下3.089 kbps的安全密钥率，验证了模式匹配量子密钥分发在现场光纤环境的可行性。该结果证明了MP-QKD协议在不同光纤长度下无须考虑激光器相干长度，在现场环境下无须对两个独立激光器锁频锁相，为多样化的量子网络场景提供了可靠的解决方案，并且意味着我国中东部两个相邻城市之间可以不再需要可信中继节点，这极大增强了节点布置的灵活性和路由能力。该工作展示了模式匹配量子密钥分发在量子网络中重要的实用价值，对未来量子网络的构建与应用具有重要的意义。

论文作者

论文第一作者为中国科学技术大学2023届博士毕业生朱浩滔，第二作者为交叉信息研究院2024届博士生黄溢智。交叉信息研究院马雄峰教授、中国科技大学陈腾云教授、潘建伟院士为共同通讯作者。该工作得到了科技部、中科院、国家自然基金委、安徽省基金等项目的资助。

论文链接

https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-11-6-883

编辑 | 姜月亮   

审核 | 吕厦敏