833公里長的光纖上完成量子密鑰分發，這個世界紀錄是怎樣創造出來的？

1月17日，知名的學術刊物《自然·光子學》在線發表了來自中國科學技術大學的一項研究成果。中國科大郭光燦院士團隊韓正甫教授及其合作者，近期實現了833公里光纖量子密鑰分發，將安全傳輸距離世界紀錄提升了200餘公里，向實現千公里陸基量子保密通訊邁出重要一步。

量子密鑰分發基於量子物理的基本原理，在資訊安全層面上提供了竊聽可感知的密鑰分發手段。光量子是量子資訊的天然載體，但線路中不可避免的損耗限制了量子密鑰分發的安全距離，也是制約廣域量子保密通訊網路部署和應用的關鍵因素之一。因此，如何延長光量子密鑰分發直接傳輸的安全距離，成為當前極具挑戰的難點和焦點之一。

那麼，在833公里長的光纖上完成量子密鑰分發，這個世界紀錄是怎樣創造出來的？

關鍵「信噪比」，降！降！降！

「光量子密鑰分發直接傳輸的安全距離逐步逼近了1000公里級，這就為未來廣域量子通訊網奠定很好基礎。」面對記者的來訪，中國科大韓正甫教授熱心地向記者解釋，將來構建的廣域量子通訊網，能夠分布在多個城市的，並且擁有城際重要人員線路和具有城域子網。「這樣的分層結構，為較多用戶提供服務的量子通訊網路。」

韓正甫教授告訴記者，影響量子密鑰分發傳輸距離的首要因素是信噪比。噪聲包括信道擾動、探測器暗計數等。原則上只要充分抑制噪聲就可以提升傳輸距離。「但是也不能說噪聲為零，就可以傳輸無限遠。」韓正甫教授進一步解釋道，這是因為線路除了噪聲還存在衰減，衰減會使得密鑰生成率降低，密鑰率太低無法滿足任何實際應用需要，即使沒有噪聲，也失去了應用價值。因此決定傳輸距離的主要因素是信噪比和衰減。

「我們團隊一直致力於實現長距離量子密鑰分發，2012年創造了206公里的記錄。2018年的時候我們在雙場協議的理論和實驗方面做出了一些關鍵性突破，實現了300公里光纖信道的雙場實驗，這是國際上首個在光纖信道中突破理論極限的實驗。」韓正甫教授告訴記者，這些工作中，課題組發展了協議理論分析的方法，突破了光源相位鎖定，信道相位補償等幾項關鍵技術，這為團隊實現833公里奠定了基礎。

「量子通訊一直是競爭激烈的國際賽道。」韓正甫教授告訴記者，目前國際上，比較有競爭力的團隊是東芝劍橋研究所，他們是雙場協議原始理論提出者，實驗上也實現了600公里的雙場系統。此外，英國利茲大學，日本東京大學等在理論方面也有不少造詣。

突破「雙場協議」理論

2018年，英國科學家提出的雙場量子密鑰分發協議突破了原有的理論極限，但其理論的完善和實驗技術的開拓極具挑戰性。

「以前的協議一般是單光子協議，雖然也需要用到相關態，但是相關態是本地制備的，通過不等臂干涉，相位補償也比較容易。」韓正甫教授告訴記者，雙場協議不同於之前的協議，該協議主要基於可干涉的遠程異地制備的相關態，這就對光源提出了非常苛刻的要求。不僅光源，雙場協議還要求一對相關態經過不同的、遠程信道傳輸後還可以近完美的干涉，這意味著信道相位補償也很有挑戰性。

「總的來說，雙場協議對實驗技術提出了很高的要求。在理論上，這個協議的安全性不是基於單光子描述的，因此較為龐雜，所以理論上怎麼證明安全性，怎麼分析各種非完美特性也是必須要解決的問題。」韓正甫說。

經過了一番認真的研究，韓正甫教授和他團隊認為，這個協議提出的主要目的是為了突破「密鑰率-信道損耗」極限。國外也有理論物理學家證明，原則上任何端到端的協議都不能突破一個叫做線性界的極限，因此傳輸距離非常受限。「雙場協議把測量裝置挪到了信道中間，基於單光子干涉，從而繞開了線性界的束縛，開辟了新的研究方向，是一個創新性很強的工作。」韓正甫說。

「但是雙場協議剛提出時，其安全性證明並不完善，且實驗上需要全局相位隨機化，並在傳輸後，由用戶篩選出相位匹配的情況才能產生密鑰，這些步驟降低了密鑰率，實驗實現也比較龐雜。因此，在理論和實驗上，雙場協議開辟了新的方向，但是也意味著需要解決很多問題。」韓正甫表示，創新有時就先必須從突破固有的理論開始。

郭光燦、韓正甫研究組在2019年首先提出了免相位後選擇的雙場類協議，並首次在300公里光纖信道中驗證了此類協議的可行性。

創立 「四相位調制雙場協議」新理論

「2018年的時候，我們團隊首次在理論上證明，雙場協議的編碼模式，可以不做相位隨機化，也就不用相位後選擇了，這樣密鑰率可以顯著提高，實驗上也大幅度簡化了。」韓正甫告訴記者，他們的這個理論創新，當時令很多同行感到意外。因為之前學術界認為，全局隨機化是安全性的必要保障。

免相位後選擇協議的簡潔性和高密鑰率的優勢，使得該協議成為量子通訊領域競相討論熱點之一。「當然我們也注意到，我們的免相位後選擇協議由於編碼時完全丟棄了相位隨機化，極限安全距離有些降低。後來我們想到或許可以在編碼時適當增加幾個相位，這樣進一步混肴竊聽者的資訊，從而可以延長安全距離。」韓正甫表示，他們設計出的四相位調制的雙場協議，結合了免相位後選擇協議和後選擇協議的一些特點，在極限情況下有特別的優勢。

經過2年多的探索，郭光燦、韓正甫團隊提出了改進的四相位調制雙場協議，並進一步提升了獨立光源的鎖相穩頻技術、高頻寬信道相位補償技術、高信噪比的單光子探測信號甄別技術等關鍵技術，將光纖雙場量子密鑰分發的安全傳輸距離延長至833公里。

大膽而嚴謹的理論創新突破，為中國量子通訊在競爭激烈的國際賽道上又一次贏得優勢。相比於國內外其他研究團隊工作，韓正甫團隊這項成果不僅將光纖量子密鑰分發距離從500多公里大幅提升至833公里，而且將安全碼率提升了50-1000倍，為實現千公里量級陸基廣域量子保密通訊網路邁出重要一步。

「事實上，創新是沒有止境的，未來量子密鑰分發的極限傳輸距離還很難預測。但是基於目前的發展趨勢，達到1000公里左右應該是把握較大的。」韓正甫告訴記者，基於雙場類的協議，千公里的QKD重要人員線路可能實現，這對於幅員遼闊的中國來說，實現大範圍國家中心城市之間的量子通訊網路有很大價值。

韓正甫教授也坦言，從根本上來看，雙場協議並不能改變密鑰率隨著距離指數衰減的事實，未來的洲際量子通訊還是需要借助量子中繼的。「但是，量子中繼真正實用可能還需要比較長的時間，雙場協議可以解決當前的大部分問題吧。」韓正甫說。