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光纤量子通信世界新纪录!潘建伟、王向斌团队实现509公里地基量子密钥分发


本文摘要:从升空全球首颗量子卫星墨子号、通车全球首颗量子保密通信主干线京沪主干线到量子钥发送距离大幅减少,我国量子通信技术一直处于全球前列。

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从升空全球首颗量子卫星墨子号、通车全球首颗量子保密通信主干线京沪主干线到量子钥发送距离大幅减少,我国量子通信技术一直处于全球前列。最近,中国科技大学潘建伟团队与清华大学王向斌团队再次强烈联合,突破远程独立国家激光振幅干涉技术,构筑500条公里测量级现实环境光纤的双重量子钥匙发给(TF-QKD),再次创造了量子钥匙发给传输距离的世界纪录。在当地时间2020年2月20日,上述团队被命名为新闻和新闻,并被引入KeyDistributionlasers:SecureTwin-Fieldintumm发送到KeyDistribution509km(物理评论快报)。

发送-不发送的双重量子钥匙发送方案在密码学中,钥匙(key)是指完成加密、解密、完整性检查等密码学应用的秘密信息。实质上,自从人类用于语言以来,用钥匙加密信息的技术发展得很大。

1984年,物理学家Bennett、密码学家Brassard明确提出了基于量子力学测量原理的世界首个量子钥匙发给协议(BB84辅助协议),以减少安全通信距离,提高安全性。根据该协议明确提出的量子钥匙发给(QKD,即quantumkeydistribution),可以为隔离两地的用户获得无条件的安全共享钥匙,显然确保钥匙的安全性。然而,由于通信光纤损耗、探测器噪声等允许,量子钥匙发送给系统通常不能在100个单位获得更高的代码率——在无量子中继(中继指两个交换中心之间的一条传输通道)的情况下,安全代码率不受线性限制。

【外用黑客攻击量子钥匙发送示意图】基于此,产生了新型量子钥匙发送方案发送-不发送的双重量子钥匙发送方案,该方案由清华大学物理系教授、清华大学密码理论中心副主任、济南量子技术研究院院长、该论文作者之一王向斌明确提出。据报道,该方案利用单光子干预的特性,大大提高了振幅噪声的忽视能力和安全性,使量子钥匙发送的代码率在长距离下保持高水平。简而言之,双重量子钥匙看起来像双胞胎合作,可以在没有转播的情况下突破代码率的线性界限。

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2019年,中国量子之父、中国科学院院士潘建伟及其团队后,在300条公里现实环境的光纤中完成了双重量子钥匙的实验。但是,双重量子钥匙发送的技术拒绝非常严格:必须通过拒绝两个远程独立国家激光的单光子级介入的单光子观测结果构筑长距离光纤链路振幅缓慢移动的正确估算,必须同时符合低计算率、高效率、超低亮度计数的单光子探测器。量子钥匙发送到传输距离世界的新记录这次,研究团队应用于上述方案,在509次公里宽度的超低损耗光纤上实验证明了安全性的钥匙发送,突破了无中继量子钥匙的意思是钥匙速度允许,地基量子钥匙发送到了最远的新世界具体来说,潘建伟团队根据王向斌明确提出的送-不送双场量子钥匙送方案,发展时频传输技术和激光流通瞄准技术,将两个独立国家的远程激光波长瞄准完全相同,利用可选振幅参照光,估算光纤的比较振幅缓慢移动。同时,团队融合了中国科学院上海微系统开发的高计数率低噪音单光子探测器,最后将量子钥匙发送的安全性代码距离推至500公里。

右图是实验装置的示意图,Alice和Bob是远程锁定频率稳定的连续波激光,由振幅调节器(PM)和3个强度调节器(IM1、IM2、IM3)调节,用于振幅随机化、代码和诱饵强度调节。此外,图中ATT为衰减器,PC为偏振控制器,PBS为偏振分束器,DWDM为密集波分束器,CIR为循环器,BS为分束器,FM为法拉第镜,PD为光电二极管。

根据论文,509公里的光纤代码率比传统的无中继量子钥匙低7倍以上,即理想的观测装置(探测器效率为100%)下的无中继量子钥匙无限大。另外,将系统的重复频率升级到京沪干线等远程量子通信网络中使用的1GHz,300公里的代码率约为5kbps,大量增加了中坚光纤量子通信网络中可靠的转播数量,大幅度提高了光纤量子保密通信网络的安全性。

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实质上,当地时间2020年3月2日,国际学术期刊《自然》子刊《自然光子学》NaturePhotonics》发表了潘建伟院士等人的另一项研究成果,被命名为Implementationtationtationquanturistuributionsurpasingthention。(公共编号:)该研究以清华大学教授马雄峰明确提出的振幅为定量子钥匙发送(PM-QKD)协议为基础,进一步发展远程量子通信,为方兴未艾的量子互联网奠定了基础。

2019年9月10日,在中国科学院和德国国立科学院领导的第一次双边研讨会上,潘建伟院士回答说,在人类构建远程安全性量子通信的道路上有两个挑战,分别是现实条件下的安全性问题和远程问题。这次研究对量子通信意义非凡,在此也期待着中国科学研究者带来的更好突破!参考资料:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevlet.124.070501https://mp.weixin.qq.com/s/YHC1zdeAQ2TQKXk1J52NAhttps://wwww.nature.com/articles/s41566-020-0599-8原创文章,允许禁止发布。下一篇文章发表了注意事项。


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