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科普文章

量子通信又双叒叕有重要进展
发布时间:2020-12-30    2123   作者 |王佳

如果用一个词来形容当今社会的特征,很多人都会想到“互联互通”。如今,信息的交流正变得愈加频繁和复杂,身处这样的时代,相信每一个人都深深地感受到了:

安全通信实在太重要了

实际上,人们早就认识到信息安全的重要性。为了保证信息安全,在发送信息之前,人们会利用密钥来加密信息,而后接收者再通过密钥对加密信息进行解密。早在古希腊时期,为了防止信息被窃听,斯巴达人就已经将加密技术应用于通信了。加密者与窃听者之间的矛与盾之争已经持续千年。


(发错图了,重来)

最早的QKD协议:BB84协议

(关于量子密钥分发,可以阅读“墨子沙龙”之前的文章:“趣味科普|从RSA算法到BB84协议,了解密钥分发的奥秘!”,“量子密钥分发:从BB84到TF-QKD”)


1. 为什么要有MDI-QKD?

量子力学的基本原理保证了BB84协议的无条件安全性,那么为什么还要发展其他量子密钥分发协议呢?这是因为,在实际QKD系统中,器件并不完美地符合理想BB84协议的数学模型,在QKD实用化的历史中,真实系统中量子密钥分发可能存在一些安全性隐患。这些隐患可以归为两类——源的安全性和探测端的安全性。

MDI-QKD协议由罗开广等人于2012年提出,简单说来,它可以看作是BBM92协议的“时间反演”。BBM92是“纠缠版本”的BB84协议:由第三方Charlie来制备纠缠光子对,并把两个光子分别发送给通信双方Alice和Bob;Alice和Bob只需通过对纠缠进行判定,就可以识别出任何窃听行为。值得注意的是,BBM92协议的安全性不依赖于第三方Charlie的纠缠源,即便是纠缠源被敌方控制的极端情况,也不影响最后密钥的安全性。纠缠进入QKD,克服了源端的所有安全性漏洞,今年6月,“墨子号”正是基于纠缠QKD,实现了无中继千公里的量子保密通信,特别重要的是,卫星可以完全不设防。而MDI-QKD协议“反其道而行”,Alice和Bob发送光子给第三方Charlie;Charlie将2光子进行干涉,经过所谓的“贝尔测量”,得到后选择的纠缠光子对。与BBM92的原理类似,MDI-QKD的安全性不依赖于Charlie的测量设备,一举解决了探测端攻击问题。

BBM92协议(左);MDI-QKD协议(右)

2. 为什么要拓展到自由空间信道?

自从MDI-QKD协议提出之后,潘建伟团队及其合作者便开展了大量工作。在2013年,研究团队就在国际上首次实现了测量设备无关量子密钥分发,之后通过不断努力和技术的创新、积累,多次创下并刷新传输距离的世界纪录,2020年进一步把传输距离突破至509公里。

而借助卫星的辅助,通过自由空间信道,可以极大扩展量子通信距离,这是因为外太空几乎真空,光信号损耗很小,大气层的等效厚度只有约10公里。最近几年,“墨子号”取得了很多重要成果,有力证实了卫星平台和地面光纤网相结合是构建全球量子通信网络最为可行的方式。


这次的工作首先完成了一系列技术突破,实现了独立光子在自由空间信道中长距离传播后的双光子干涉,继而在上海城市的大气环境中完成了世界上第一个自由空间MDI-QKD实验。

远距离自由空间MDI-QKD实验装置图

如图所示,两个信道长度分别为7.7 公里和11.5 公里,这与地球大气的等效厚度已经相当,意味着这一工作已经向着基于卫星的MDI-QKD迈出了坚实一步。




空间模式 大气湍流破坏了空间模式,不仅对激光束的波前带来影响,还致使振幅和相位的随机分布,这使得光子在空间模式上不再具有全同性。因此在进行干涉测量前需要用单模光纤进行空间滤波,这给光信号带来了巨大的损耗。为了解决这一问题,研究团队采用了自适应光学系统,通过可形变镜片与光脉冲的交互、反馈,实现对光脉冲的补偿。

频率模式和时间同步 双光子干涉还要求光脉冲的到达时间和频率差要达到不确定关系的极限。研究团队利用分子吸收谱实现了远距离独立激光器之间的锁频,即:Alice和Bob分别使用HCN分子吸收池来校准光频,把干涉光的频率差做到了小于10 MHz。研究团队还在三个实验点(Alice、Bob、Charlie)分别使用超稳晶振作为独立时钟源,通过测量脉冲到达时间实时反馈,得到32 ps的独立时钟同步精度。光脉冲到达时间和频率的不确定性达到了双光子干涉的要求。

(感谢曹原、李宇怀和张强三位老师对本文的帮助)

墨子沙龙是以中国先贤“墨子”命名的大型公益性科普论坛,由中国科学技术大学上海研究院主办,中国科大新创校友基金会、中国科学技术大学教育基金会、浦东新区科学技术协会、中国科学技术协会及浦东新区科技和经济委员会等协办。

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