南京大学陈增兵-中国人民大学尹华磊团队实现可拓展的高效源无关量子会议密钥协商

一、研究背景

近年来，量子信息技术飞速发展，构建覆盖全球的量子网络已成为世界各国竞相追逐的战略目标。量子网络不仅能够突破传统经典网络的物理极限，实现无条件安全的信息传输，还将在量子计算、量子传感以及精密测量等领域展现出革命性的应用价值。作为量子网络的核心应用之一，量子会议密钥协商（或称量子密码会议）协议允许网络中的多个用户协商出一个共同的秘密密钥，从而实现安全的加密电话会议与多方机密数据传输，在金融交易等场景中有广泛应用前景。然而，目前量子会议密钥协商协议在实际物理实现中面临着巨大的挑战。一方面，传统的量子会议密钥协商协议通常依赖于多体纠缠态（如GHZ态）的分发，但是在实验中制备高保真度、高亮度的多体纠缠态极其困难，且随着用户数量的增加，纠缠态的产生效率将显著下降，这极大地限制了协议的传输距离和成码率。测量设备无关量子会议密钥协商协议虽然安全性更强且放宽了对光源的要求，但对时间同步精度和光子不可区分性的严苛要求，使其难以在复杂的实际网络环境中部署并高效运行。另一方面，目前大部分实验方案的可拓展性受限，随着用户数量的增加，光源和相关分析设备的复杂度将迅速上升，严重制约了其在大规模网络中的实际应用。因此，实现兼具高效率、强可拓展性的量子会议密钥协商，对于推动量子网络的实用化进程具有重大意义（图1）。

二、研究进展

团队实验演示了一种基于贝尔态分发的高效多用户源无关量子会议密钥协商协议。如图1所示，该方案利用不可信的中心节点产生并分发两体偏振纠缠光子对，所有用户独立且随机地选择测量基矢（Z基或X基）对接收到的光子进行投影测量，若Alice与某位Bob选择了相同的测量基矢并同时探测到光子，则记录为有效事件，对有效事件的测量结果进行后匹配，经过相应的异或操作后，多个用户间就可以建立等价于多方量子关联的经典关联，从而规避了直接制备和分发多体纠缠态的技术难题。最后，对结果进行纠错和隐私放大等后处理，得到最终的安全会议密钥。该方案相比于以往的量子会议密钥协商实验，在多个方面展现出优势。首先，该方案通过后匹配操作与后处理过程，将多组两体纠缠态处理为多方纠缠态，在保证协议具有量子增强安全性的同时，使用相对简单的两体纠缠源替代复杂的多体纠缠源，大幅降低了实验难度。其次，该方案在扩展用户时，仅需中心节点增加分发一组纠缠光子对，并增加相应的探测模块即可，无需大幅改变整体架构，极大地降低了网络扩展的门槛。最后，作为基于纠缠的协议，该方案天然免疫所有针对光源的侧信道攻击和光源不完美性带来的安全漏洞，确保了在非理想光源条件下的通信安全。团队搭建了一个包含两个偏振光源与四组投影测量装置的系统，在三用户星型量子网络中实验实现了该协议。实验装置如图2，实验采用了波长为780nm的皮秒脉冲激光泵浦PPKTP晶体，通过Sagnac干涉环结构制备出高质量的偏振纠缠光子对。实验测得各对用户间共享的纠缠态平均保真度约为97%，可见度超过96%。

团队总共进行了6组对比实验，系统研究了不同信道传输效率和基矢选择概率对密钥率的影响，实验结果与理论模拟高度吻合。在Z基测量概率为0.9的情况下，当单用户信道传输效率分别为0.164、0.0824和0.052时，密钥率分别可以达到21.1、4.72和1.72 kbps。

三、未来展望

该研究实验演示了构建高效、可拓展的源无关量子会议密钥协商系统的可行性。未来随着该技术的进一步成熟，量子会议密钥协商有望通过结合密集波分复用等技术，集成至现有的全连接光纤量子网络架构中，从而以较低的资源成本支撑起大规模用户群体的安全通信需求。这将极大地加速量子加密电话会议、多方机密数据传输等应用的落地，推动量子保密通信从点对点模式向多用户、网络化方向演进。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.1034