我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)化研究方面取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)韓正甫教授及其合作者王雙、銀振強(qiáng)、陳巍等實(shí)現(xiàn)了抗環(huán)境干擾的非可信節(jié)點(diǎn)量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，全面提高了量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的安全性、可用性和可靠性，向?qū)崿F(xiàn)下一代量子網(wǎng)絡(luò)邁出了重要的一步。相關(guān)研究成果于7月16日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)知名期刊《Optica》上[Optica, 9, 812-823(2022)]。
網(wǎng)絡(luò)安全是信息時代的重要主題，量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)以量子物理原理為基礎(chǔ)，可為成千上萬的用戶提供信息論安全的保密通信服務(wù)，構(gòu)建安全可控的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。當(dāng)前，量子保密通信網(wǎng)絡(luò)已在全球各地先后部署，在實(shí)踐中證明了其優(yōu)越的安全通信能力。但網(wǎng)絡(luò)中對于可信節(jié)點(diǎn)的需求提高了其實(shí)際部署的門檻，如何免除用戶鏈路上必須可信的中間節(jié)點(diǎn)，降低對通信鏈路的安全性要求，從而構(gòu)建下一代基于非可信節(jié)點(diǎn)的量子網(wǎng)絡(luò)，是目前急需解決的問題。
測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議（MDI-QKD）通過設(shè)置一個非可信節(jié)點(diǎn)對編碼量子態(tài)進(jìn)行聯(lián)合測量，可在兩個用戶間構(gòu)建安全的通信鏈路，是構(gòu)建百公里級城域量子網(wǎng)絡(luò)的重要角色。然而聯(lián)合測量不僅限定了參與用戶的數(shù)量，還對信道環(huán)境的穩(wěn)定性提出了更高的要求，不利于在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行部署。韓正甫課題組多年來圍繞這一問題展開深入研究，2015年實(shí)現(xiàn)了參考系測量設(shè)備雙無關(guān)系統(tǒng)（Phys. Rev. Lett. 115, 160502 (2015)），解決了相位擾動的問題；2017年設(shè)計出環(huán)境魯棒型系統(tǒng)（Optica 4, 1016-1023 (2017)），進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了抗偏振擾動能力；2021年提出非獨(dú)立組網(wǎng)方案(Photon. Res. 9, 1881-1891 (2021))，探索測量設(shè)備無關(guān)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化路線。至此，解決MDI-QKD網(wǎng)絡(luò)的多用戶可用性和環(huán)境干擾下的可靠性問題，其條件已經(jīng)具備。
圖1 測量設(shè)備無關(guān)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施框圖
在本研究中，課題組設(shè)計了“薩格納克-馬赫-曾德爾”結(jié)構(gòu)的非相敏量子編碼器，能夠免除相位參考系的補(bǔ)償；同時，課題組借助隨機(jī)化，擦除了編碼量子態(tài)的偏振信息，使其具備抗信道偏振擾動能力；最后，課題組重新利用偏振維度進(jìn)行多用戶配對，能夠同步實(shí)現(xiàn)多對用戶的Hong-Ou-Mandel干涉和聯(lián)合測量。在此基礎(chǔ)上，課題組完成了測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，使其同時具備抗環(huán)境干擾、無需可信節(jié)點(diǎn)、支持多用戶靈活組網(wǎng)的特性。該成果推動了下一代量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用化，為未來量子互聯(lián)網(wǎng)的具體形態(tài)做出了有益的探索。
該工作的共同第一作者為中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特任副研究員范元冠杰和博士后盧奉宇，王雙教授、銀振強(qiáng)教授是該工作的共同通訊作者。這項(xiàng)工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國博士后科學(xué)基金會、中國科學(xué)院和安徽省的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.458937
（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、物理學(xué)院、科研部）
