中国科学家实现模式匹配量子密钥分发

中国科学家实现模式匹配量子密钥分发中国科学技术大学潘建伟、陈腾云等与清华大学马雄峰合作，首次在实验上实现了模式匹配量子密钥分发。据中国央视新闻2月5日报道，相关研究成果日前发表在国际学术期刊《物理评论快报》上。量子密钥分发基于量子力学基本原理，可以实现理论上无条件安全的保密通讯。模式匹配量子密钥分发协议(MP-QKD)是由清华大学马雄峰研究组于2022年提出的一种新型测量设备无关量子密钥分发协议，相较于原始的测量设备无关协议，可以将更多的探测事件用于成码，可以很大程度提高成码率；相较于双场量子密钥分发协议和相位匹配协议，无需复杂的激光器锁频锁相技术，节省成本且降低了实际应用难度，同时对环境噪声有更好的抗干扰能力。研究表明，模式匹配量子密钥分发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，对未来量子通信网络构建具有重要意义。

508公里光纤量子通信：袁之良团队创城际量子密钥率新纪录

508公里光纤量子通信：袁之良团队创城际量子密钥率新纪录6月20日，相关研究成果发表在国际著名学术期刊《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）上，并被选为编辑推荐（Editors’Suggestion）。美国物理学会Physics网站邀请国际专家撰写了相关Viewpoint评论文章。同时，《物理评论快报》也以新闻发布的形式向科技界新闻媒体重点推介了该工作。点对点量子密钥分发（QKD）的密钥率随着信道的损耗呈线性衰减。双场量子密钥分发（TF-QKD）可以使得密钥率以信道衰减的平方根线性下降，因而受到了极大的关注和取得了极大的成功。但双场协议系统实现复杂，通常需要相位跟踪、频率校准等模块来保证稳定的长距离单光子干涉。南京大学尹华磊等于2022年提出一种新颖的异步测量设备无关量子密钥分发（AsynchronousMDI-QKD）协议，该协议通过经典后处理实现时间复用，构建了双光子贝尔态，建立起MDI-QKD与TF-QKD之间的桥梁。后测量配对技术可大大降低TF-QKD系统中对激光源、相位稳定性等的严格要求，在中长距离还可实现更高的安全密钥率。同步与异步配对方案对比图袁之良团队基于异步测量设备无关量子密钥分发协议（也称为模式匹配量子密钥分发，由清华大学马雄峰组独立提出）与新型的响应过滤方法，研制出200微秒时间间隔内仍可进行稳定异步双光子干涉的量子密钥分发系统，首次在无需相位跟踪技术且进行了严格的组合安全有限密钥分析的情况下突破了安全码率界限。该实验工作实现了创纪录的双光子干涉距离和城际密钥率，将MDI-QKD的最大光纤传输距离从404公里提高到508公里。在400公里处其密钥率相比之前提高了6个数量级，201公里与306公里处的安全密钥率分别超过57000比特/秒与5000比特/秒，可满足语音通信等实时加密需求。该研究成果对商用化、高安全城际量子密钥分发系统和我国构建经济高效的城际量子安全网络具有重要意义。安全码率图北京量子信息科学研究院副研究员周来、工程师林锦平，以及南京大学物理学院博士生谢元梅、陆玉硕为该论文的共同第一作者，南京大学物理学院尹华磊副教授和北京量子院首席科学家袁之良为该论文的共同通讯作者，作者还包括北京量子研究院助理研究员荆雨芒。该项目得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金以及南京江北新区重点研发计划项目的支持。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1366645.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1366645.htm

中国光纤量子密钥分发突破1000公里 成码率0.0034bps

中国光纤量子密钥分发突破1000公里成码率0.0034bps这项研究由中国科技大学潘建伟、张强等主导，与清华大学王向斌、济南量子技术研究院刘洋、中国科学院上海微系统所尤立星、张伟君等合作。相关研究成果于5月25日发表在国际学术期刊《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）杂志。据介绍，量子密钥分发（QKD）基于量子力学基本原理，可以在用户间进行安全的密钥分发，结合“一次一密”的加密方式，进而可实现最高安全性的保密通信。然而，量子密钥分发的距离一直受到通信光纤的固有损耗和探测器噪声等因素的限制。双场量子密钥分发（TF-QKD）协议利用单光子干涉的特性，将成码率与距离的关系，从一般量子密钥分发的线性关系提升至平方根的水平，因此可以获得远超过一般量子密钥分发方案的成码距离。在这项工作中，研究团队采用了王向斌等提出的“发送-不发送”双场量子密钥分发协议，在现实条件下可以有效地提升量子密钥分发系统工作距离。为了进行极远距离的量子密钥分发，研究团队与长飞光纤光缆股份有限公司合作，采用基于“纯二氧化硅纤芯”技术的超低损光纤，实现低于0.16dB/km的量子信道光纤链路。中科院上海微系统所发展了极低噪声超导单光子探测器，通过在40K和2.2K温区进行多级滤波抑制热辐射引起的暗计数，将单光子探测器的噪声降低至0.02cps。研究团队还发展了时分复用的双波长相位估计方案，避免了同波长参考光二次瑞利散射、不同波长参考光自发拉曼散射等噪声影响，将链路噪声降低至0.01Hz以下。远距离量子密钥分发实验系统原理图在上述技术发展的基础上，实现了最远达1002千米的双场量子密钥分发，获得0.0034bps成码率。对系统参数进行优化后，在202km光纤距离下获得47.06kbps成码率，并且在300km和400km光纤距离下，获得的成码率相较原始“测量器件无关”量子密钥分发提高了6个数量级。这项研究不仅验证了极远距离下双场量子密钥分发方案的可行性，也验证了在城际光纤距离下，采用该协议可以实现高成码率的量子密钥分发，适合城际量子通信主干链路使用。该工作得到了审稿人的高度评价，认为是“该领域极其重要的进展，量子密钥分发技术新的里程碑(asignificantadvanceforthefieldandanewlandmarkforQKDtechnology)”。远距离量子密钥分发实验成码率结果图...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1362035.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1362035.htm

中国实现百兆比特率量子密钥分发 比世界最快纪录提升10倍

中国实现百兆比特率量子密钥分发比世界最快纪录提升10倍该成果于3月14日在线发表于国际学术期刊《自然-光子学》（NaturePhotonics）。高码率量子密钥分发装置图图源：中国科学技术大学官网量子密钥分发（QKD）基于量子力学基本原理，可以实现原理上无条件安全的保密通信。提高QKD的成码率对其实用化起着至关重要的作用。高码率可为更多用户提供服务，实现大数据共享、分布式存储加密等高带宽需求的应用。此前国际上最高的实时成码率是10Mb/s（10公里标准光纤信道下）。而中国研究团队实现了10公里标准光纤信道下115.8Mb/s的密钥率，较之前纪录提高了约一个数量级。潘建伟、徐飞虎研究组发展了集成光子片上高速高保真度偏振态调制技术，系统重频达到2.5GHz，量子比特误码率优于0.35%；结合中科院上海微系统所尤立星团队最新研制的八像素SNSPD，实现了高计数率、高效率的单光子探测，在每秒输入5.5亿个光子时仍能保持62%的探测效率；同时，研究组发展了偏振反馈控制、高速后处理模块等。上述研究成果表明，QKD可实现百兆比特率的实时密钥分发，满足高带宽通信需求，对未来量子通信的大规模实际应用具有重要意义。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349281.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349281.htm

我科学家实现误差容忍高安全量子密钥分发

我科学家实现误差容忍高安全量子密钥分发日前，中国科学技术大学郭光灿院士领导的中国科学院量子信息重点实验室，在高安全量子密钥分发的实用化研究方面，取得重要进展。该实验室的韩正甫教授及其合作者银振强、王双、陈巍等提出了兼具高稳定性和高安全性的误差容忍测量设备无关量子密钥分发协议，并从安全性分析和实验验证两方面证实了该协议对源端非理想特性具有极强的容忍能力，有力地推动了新一代量子密钥分发技术的实用化进程。相关研究成果于8月3日在线发表在国际学术知名期刊《光学》上。信息安全是当今时代的重要主题，量子密钥分发技术以量子物理原理为基础，可实现理论上无条件安全的密钥分发。然而，这种理论安全性需要两个重要的假设，即用户拥有符合理论模型描述的理想设备，以及窃听者不能侵入系统的探测端和源端。测量设备无关量子密钥分发可以免疫所有针对探测端的潜在攻击行为，是新一代量子密钥分发技术的典型协议。然而，其依然保留了对源端的诸多安全性假设，例如量子态调制中的误差和噪声就会违背这些安全性假设，不仅会显著降低量子密钥分发系统的性能，还会为潜在窃听者创造可乘之机。在复杂的实际环境中，用户不得不耗费大量的资源以监控和校准源端，不仅会降低协议执行的效率，也可能带来潜在的安全问题。为推进新一代量子密钥分发技术的实际应用，韩正甫团队通过将源端常见的非理想特性纳入安全性证明框架中，提出了兼具高稳定性和高安全性的测量设备无关协议——误差容忍测量设备无关协议。该协议在免除了对探测端所有安全假设的同时，还免除了源端的“单光子态不可区分假设”和“纯态假设”。由于免除了这两条假设，测量设备无关协议对量子态调制中的信号畸变和噪声具有极强的容忍能力。经过严格的安全性分析，该团队证明了这些源端设备的非理想特性不会破坏测量设备无关协议的安全性，也不会降低系统的安全密钥生成速率，因此误差容忍协议兼具高安全和高稳定两大特性。韩正甫团队还进一步搭建测量设备无关系统，对提出的误差容忍协议进行实验验证。团队首先通过自主设计的Sagnac-AMZI编码器和四强度诱骗态调制装置实现了原始测量设备无关协议，并通过该系统观察测量调制信号具有不同误差时原始协议性能的变化。随后，团队使用同一系统执行误差容忍测量设备无关量子密钥分发协议，在不对选基信号进行预先校准的情况下实现了几乎恒定速率的安全密钥分发。通过前后性能对比，证明了误差容忍测量设备无关协议的高稳定特性，以及对于实际应用的重要价值。由于实际量子密钥系统往往需要工作在复杂快变的环境中，很难实现源端的精确实时校准，韩正甫团队的这项成果极大地推进了测量设备无关量子密钥分发技术的实用化进程，也为量子密钥分发技术真正走向无条件安全奠定了理论和实验基础。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1306657.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1306657.htm

量子互联网的重要里程碑： 新实验实现在技术之间"翻译"量子信息

量子互联网的重要里程碑：新实验实现在技术之间"翻译"量子信息这代表了一种将量子信息从量子计算机使用的格式转化为量子通信所需格式的创新方法。一个铌超导空腔。孔洞通向隧道，隧道相交以捕获光和原子。光子--光的粒子--对量子信息技术至关重要，但不同的技术以不同的频率使用它们。例如，一些最常见的量子计算技术是基于超导量子比特，如科技巨头Google和IBM使用的那些；这些量子比特将量子信息存储在以微波频率移动的光子中。但是，如果你想建立一个量子网络，或连接量子计算机，你就不能四处发送微波光子，因为它们对量子信息的控制力太弱，无法在旅途中生存。"我们用于经典通信的很多技术--手机、Wi-Fi、GPS以及诸如此类的东西--都使用微波频率的光，"芝加哥大学詹姆斯-弗兰克研究所的博士后、该论文的第一作者AishwaryaKumar说。"但你不能这样做量子通信，因为你需要的量子信息是在一个单一的光子中。而在微波频率下，这种信息会被埋没在热噪声中。"铷的电子能级示意图。其中两个能级间隙分别与光学光子和微波光子的频率相符。激光被用来迫使电子跳到更高的层次或降到更低的层次。解决方案是将量子信息转移到更高频率的光子上，称为光学光子，它对环境噪声的抵抗力要强得多。但信息不能直接从光子转移到光子；相反，我们需要中间物质。一些实验为此目的设计了固态设备，但库马尔的实验瞄准了更基本的东西：原子。原子中的电子只允许拥有某些特定的能量，称为能级。如果一个电子处于一个较低的能级，它可以被激发到一个较高的能级，方法是用一个能量正好与较高和较低能级之间的差异相匹配的光子击中它。同样地，当一个电子被迫降到一个较低的能级时，原子就会发射出一个能量与能级之间的能量差相匹配的光子。铷原子恰好有两个空隙，库马尔的技术利用了这两个空隙：一个正好等于微波光子的能量，另一个正好等于光子的能量。通过使用激光使原子的电子能量上下移动，该技术允许原子吸收带有量子信息的微波光子，然后发射带有该量子信息的光学光子。这种不同模式的量子信息之间的转换被称为"转导"。有效地将原子用于这一目的是由于科学家们在操纵这种小物体方面取得的重大进展而成为可能。库马尔说："在过去的20或30年里，我们作为一个群体已经建立了卓越的技术，使我们能够控制关于原子的一切，所以实验是非常可控和有效的。"他说，他们成功的另一个秘密是该领域在腔体量子电动力学方面的进展，在那里，一个光子被困于一个超导反射室。迫使光子在一个封闭的空间里反弹，超导腔加强了光子和放在里面的任何物质之间的相互作用。他们的腔体看起来不是很封闭，事实上，它更像一块瑞士奶酪。但看起来像洞的地方实际上是以非常特殊的几何形状相交的隧道，因此光子或原子可以被困在一个交叉点上。这是一个聪明的设计，也允许研究人员进入腔室，以便他们能够注入原子和光子。该技术可以双向工作：它可以将量子信息从微波光子转移到光学光子，反之亦然。因此，它可以在两个超导量子计算机之间的长距离连接的任何一侧，并作为量子互联网的基本构件。但库马尔认为，这项技术的应用可能比量子网络多得多。它的核心能力是强纠缠原子和光子--这是整个领域中许多不同的量子技术中必不可少的，也是困难的任务。他说："我们真正感到兴奋的事情之一是这个平台能够产生真正有效的纠缠，纠缠是我们关心的几乎所有量子的核心，从计算到模拟到计量学和原子钟。我很高兴看到我们还能做什么。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1352151.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1352151.htm