我校郭光燦院士團隊在量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)化研究方面取得重要進(jìn)展。該團隊韓正甫教授及其合作者王雙、銀振強、陳巍等實現(xiàn)了抗環(huán)境干擾的非可信節(jié)點量子密鑰分發(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)點的需求提高了其實際部署的門檻，如何免除用戶鏈路上必須可信的中間節(jié)點，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)一步實現(xiàn)了抗偏振擾動能力；2021年提出非獨立組網(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償；同時，課題組借助隨機化，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、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實驗室特任副研究員范元冠杰和博士后盧奉宇，王雙教授、銀振強教授是該工作的共同通訊作者。這項工作得到了科技部、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實驗室、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）
