中國科學家首次提出新型遠程量子密鑰分發協議

QKD使得無條件安全的保密通信成為可能。然而，實際QKD系統受信道損耗的制約，其密鑰生成率隨著信道長度的增加而顯著降低。量子密碼理論學家們證明，密鑰生成率隨著信道傳輸效率的下降線性減小。2018年英國科學家提出了孿生場（TF）QKD協議，基於該協議利用單光子響應就可以產生密鑰，其密鑰生成率隨著信道效率平方根下降而減小，在長距離信道情況下其密鑰生成率有顯著優勢。但由於其編碼模式必須進行相位隨機化和後選擇，顯著降低了系統密鑰率，增加了實現的複雜程度。

經過深入研究，郭光燦院士團隊提出了一種新型TF-QKD協議，並給出了完備的安全性證明。新協議的編碼模式不需要進行相位隨機化和後選擇，在顯著提升協議效率的同時還降低了實現的複雜度，並且可以在更短的信道距離下突破線性界，密鑰生成率得以顯著提高。科研人員首先在基於光學鎖相環和反饋控制方案上取得突破，實現了兩台獨立激光器之間的穩定一階干涉，解決了相干光場制備的技術難題。接著，他們又設計並實現了遠程光纖信道快速相位補償控制技術，得到了臂長150公里的一階光學干涉。最終，研究組在300公里光纖信道上實現了TF-QKD原理驗證系統，其密鑰生成率達到了2kbps，突破了線性界。這一密鑰率約為線性界的3倍。

該成果驗證了在無中繼條件下，遠距離、跨城際高密鑰率傳輸和組網的可行性，在量子中繼短期難以實用的情況下，可望在大範圍、遠距離量子保密通信網絡應用方面取得突破。