近日，马雄峰研究组基于小组相位匹配量子密钥分发的理论工作，和中国科学技术大学的实验团队进行合作，首次实现了超过500公里的无中继光纤量子密钥分发实验，实现了容忍信道损耗的记录，创造了新的世界纪录。相关实验工作发表在《自然·光子学》上，并于2020年3月5日得到央视《新闻联播》报道。
量子密钥分发（Quantum key distribution）利用量子物理基本原理，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。自上个世纪九十年代以来，经过多年的理论及实验技术的发展，该方向特别是基于光纤信道的量子密钥分发当前已经进入到了实用化阶段。光子作为最普遍应用的信息载体，其传输损耗是量子密钥分发协议实现的主要障碍。如何克服传输损耗从提高密钥速率，传输距离是量子密钥分发协议理论和实验研究的核心任务。
量子信道的传输效率通常用通过率t来刻画，即一个光子能够经发送端（Alice）顺利通过量子信道达到接收端（Bob）并且被探测到的概率。在离散变量量子密钥分发协议中，一般采用单光子进行密钥信息编码，因而单光子在信道中的损耗意味着密钥信息的丢失。因此，通过率t是密钥产生速率的自然上界。可以严格证明，在所有的Alice向Bob发送信号的协议中，其密钥产生速率R存在一个上界，为量子信道通过率t的线性函数，即R=O(t)。在光纤量子密钥分发中，由于量子信道通过率随着传输距离的增加而指数衰减，该上界严重限制了量子密钥分发协议在远距离条件下的密钥生成速率。
基于最近的一些理论进展，马雄峰副教授和他的博士生曾培，周泓伊推广并提出了一种新型相位匹配量子密钥分发协议（图1），并严格证明了其安全性，这也是世界上首个对突破线性函数密钥率上界O(t)的证明。经过严格的协议安全性分析以及考虑所有实际因素的数值模拟后，该小组发现新协议的密钥产生速率在传输距离大于250公里的时候可以显著超越线性密钥率上界。在传输距离大于300公里的时候，该协议的密钥率能够比原始的测量设备无关量子密钥分发协议高出4~6个数量级。
图1 相位匹配量子密钥分发协议示意图。
图2 相位匹配量子密钥分发协议(PM-QKD)密钥率与传输距离关系的实验结果。星号的数据点为实验结果，红色和蓝色的实线为相应的数值模拟结果。通过502公里的超损光纤，实验实现了超远距离密钥分发。黑色实线为以前的线性成码上界。
基于该协议方案，马雄峰副教授以及组内博士生曾培、本科生吴蔚捷改进了上述的理论分析，并和中科大实验团队合作，引入了激光注入锁定和相位后补偿方法，在超过500公里的光纤通信情况下上述研究成果成功创造了地基量子密钥分发最远距离新的世界纪录，在超过500公里的光纤成码率打破了传统无中继QKD所限定的成码率极限，即超过了理想的探测装置（探测器效率为100%）下的无中继QKD成码极限（图2）。如果将系统重复频率升级至京沪干线等远距离量子通信网络中采用的1GHz，在300公里处，成码率可达5kbps，这将大量减少骨干光纤量子通信网络中的可信中继数量，大幅提升光纤量子保密通信网络的安全性。中国科学技术大学博士生方啸天、刘慧和我院博士生曾培为共同第一作者，中科大的潘建伟教授、陈腾云教授和我院马雄峰副教授为共同通讯作者。此外，中科大的张强教授，陈宇翱教授，彭承志教授，国盾量子公司的汤艳琳工程师，和上海微系统与信息研究所的工程师尤立星工程师等参与了工作。
该工作得到了科技部、自然科学基金委、中关村海华研究院等的资助。
相关论文：
【1】Ma, Zeng, and Zhou, “Phase-matching quantum key distribution”, PRX 8, 031043 (2018)
【2】X.-T. Fang, P. Zeng, H. Liu, M. Zou, W. Wu, Y.-L. Tang, Y.-J. Sheng, Y. Xiang, W. Zhang, H. Li, Z. Wang, L. You, M.-J. Li, H. Chen, Y.-A. Chen, Q. Zhang, C.-Z. Peng, X. Ma, T.-Y. Chen, and J.-W. Pan, “Implementation of quantum key distribution surpassing the linear rate-transmittance bound,” Nature Photonics, 2020.
