上海交通大学曾贵华教授课题组提出基于基编码的离散调制相干态量子密钥分发方案

研究背景

连续变量量子保密通信技术成为整个保密通信技术的一个重要分支，而连续变量量子密钥分发（CVQKD）则是该技术的研究核心。然而相对于离散变量量子密钥分发协议，连续变量量子密钥分发协议的安全传输距离相对短很多。其主要原因有两个方面：一个是现有的CVQKD协议对过噪声过于敏感。另一个原因是CVQKD需要更复杂且独特的纠错算法，这个进一步限制了CVQKD的安全传输距离。为了提升CVQKD的安全传输距离，有研究者提出了离散调制相干态连续变量量子密钥分发（DMCS-CVQKD）方案，可直接产生离散化的原始密钥，从而可降低后处理难度，提升协商效率，从而延长安全传输距离。然而，由于其测量结果仍然为连续值，其协商仍然很复杂。

研究进展

基于基编码的量子密钥分发协议不同于传统的CVQKD协议，其将密钥信息编码在两个正则分量测量基的选择上。该协议仅需简单的二进制协商，并且有相对于传统CVQKD承受更大信道衰减的潜力。此外，该协议的物理光路与传统CVQKD完全一致，仅后处理阶段不同，可与现有CVQKD设备完美兼容。然而目前基于基编码的量子密钥分发协议安全性分析不够完善，并且没有相关的实验验证。

研究团队提出了一种新型的基于基编码的离散调制相干态量子密钥分发方案。在该方案中，Alice端对相干态进行离散调制后发送给Bob端，Bob端进行相干探测并将密钥编码于测量基选择上，最终Bob端公开测量结果，同时Alice端根据如图1所示的解码原则进行解码。

研究团队分析了所提出方案在线性高斯信道中受到个体和集体攻击时的安全性。基于上述分析进行了数值仿真，结果表明所提出的协议能大大提高对信道衰减的容忍能力。在现实过噪声值下，与原先的DMCS-CVQKD协议相比，它能多容忍约40 dB的信道衰减（如图2）。

研究人员搭建实验光路实现了对所提出的协议在50.5 km标准单模光纤下的原理性验证实验，如图3。实验结果表明相干探测结果及误比特率与理论分析结果相吻合。同时，在11 dB的信道衰减下实现了13.12 kbps的密钥率，并且在相同实验参数下理论最高可承受33 dB信道衰减，如图4。

未来展望

研究人员证明了基于基编码的离散调制相干态量子密钥分发协议在线性高斯信道下的安全性，首次实现了基于基编码的量子密钥分发协议实验验证，为实现现实复杂信道环境下的量子保密通信提供了新的高效解决方案。

来源：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0691