超過400公里的抗黑客攻擊量子密鑰分發首次實現

　　中國科學技術大學潘建偉及其同事張強、陳騰云與清華大學王向斌以及中科院上海微系統與信息技術研究所、濟南量子技術研究院等單位科研人員合作，在國際上首次實現超過400公里抵御量子黑客攻擊的測量設備無關量子密鑰分發。該成果近日發表在國際物理學權威期刊《物理評論快報》上 [Physical Review Letters 117, 190501 (2016)]， 被選為編輯推薦（Editors’ Suggestion），并被美國物理學會《物理》雜志報道。該成果極大地推動了兼顧安全和實用的遠距離光纖量子通信的發展。

　　量子密鑰分發可以為分隔兩地的用戶提供無條件安全的共享密鑰。從1984年第一個量子密鑰分發協議（BB84協議）提出以來，增加安全通信距離、提高安全成碼率和提高現實系統的安全性是開發實用性量子密鑰分發最重要的三個目標。

　　近年來，中國科大潘建偉小組圍繞上述三個目標進行了原創性的實驗研究，取得了一系列國際領先的成果：2013年，在國際上首次實現測量設備無關的量子密鑰分發[PRL 111, 130502 (2013)]，徹底解決了所有針對探測系統的黑客攻擊，同年被美國物理學會評選為2013年度國際物理學重大進展；2014年，將測量設備無關的量子密鑰分發安全通信距離拓展至200公里[PRL 113, 190501 (2014)]，創造了新的世界紀錄；2016年，又在國際上首次實現了基于不信任中繼的量子密鑰分發網絡[PRX 6, 011024 (2016)]。不過，這些前期實驗結果的安全成碼率較低，嚴重限制了該量子通信技術的實際應用。針對此問題，清華大學王向斌小組提出了4強度優化理論方法，可以大幅度提高安全成碼率和安全距離。理論分析表明，該方法在典型實驗條件下可以將成碼率提高近兩個數量級，從而大幅度提高實用化水平。

　　2016年，潘建偉小組進一步通過發展穩定的雙光子干涉技術和系統長時間穩定技術，采用王向斌團隊發展的4強度優化理論方法，結合中科院上海微系統所研究員尤立星研制的高效低噪聲超導納米線單光子探測器，成功地將測量設備無關的量子密鑰分發安全傳輸記錄拓展至404公里超低損耗光纖（由康寧公司提供）和311公里普通光纖距離，創造了光纖傳輸距離新的世界紀錄。特別值得一提的是，在相同現實條件下，即使利用完美單光子源，BB84協議也不能在這么長的傳輸距離上得以實現。該實驗在207公里處的安全成碼率相比2014年的200公里實驗提高了500多倍，其中50多倍的提高來自4強度優化理論方法，而另外10倍的提高來自實驗技術的改進。實際上，該實驗在102公里的安全成碼率已經足以保證安全的語音通話，從而充分驗證了測量設備無關量子密鑰分發的實用性。

　　該實驗得到審稿人的高度評價，稱贊“該實驗為量子密鑰分發和量子通信最遠傳輸記錄”，“是一個杰出的成就”，“打破了BB84協議下單光子源的傳輸終極極限”。

　　該研究工作得到了中科院、國家自然科學基金委、科技部、教育部等部門以及山東省和濟南高新區的支持。