相干態量子秘鑰分發(QKD)技術與潘建偉教授團隊采用的單光子QKD技術,是量子保密通訊的兩條重要技術路線,各有優勢。相干態QKD借助GG02合同(類似單光子QKD的BB84合同)實現,技術上采用弱相干光做載體,通過調制其相位和振幅實現對隨機秘密信息的編碼和解碼調制,最后采用量子相干監測器獲取數據。與單光子QKD系統相比,相干態QKD系統的信源簡易,不須要單光子信源,測量器也較為簡單,不須要高溫裝置的介入,以便集成和大型化。綜合而言,相干態QKD技術具有如下技術優勢:(1)高性價比。使用精典相干光通訊元件,技術成熟且具有良好經濟性及兼容性;(2)諸城鑰率。借助連續分布光場份量進行編碼調制,可實現海陽鑰率通訊;(3)高融合性。不須要降低任何設備即可實現與現有光通訊網路的良好融合;(4)抗背景光噪音。可抵擋背景光噪音干擾,實現全天時自由空間量子保密通訊;(5)高集成性。可產生高集成化相干態量子保密通訊終端設備,容積可控制在1U以內乃至手持式終端大小。其實,在容積、價格、集成度、共纖融合性等方面,相干態量子保密通訊技術都具有先天的優勢。
團隊針對相干態量子保密通訊技術進行了20余年校企攻關,取得了系列創新成果,整體達到國際領先水平。代表性成果主要:
(1)首創性地陸續提出了基于非高斯操作及基編碼高斯調制相干態連續變量量子秘鑰分發(CVQKD)理論方案,分別創造了CVQKD理論最遠傳輸距離及最高噪音容忍度記錄(Phys.Rev.A,87,,2013;Phys.Rev.A,97,,2018);
圖1基于非高斯操作的長距離高斯調制相干態CVQKD方案
圖2基于基編碼的高抗噪高斯調制相干態CVQKD方案
(2)實驗實現了國際中單模光纖下最長150km安全傳輸距離CVQKD,并創造了25km標準多模光纖下隨傳本振高斯調制相干態CVQKD方案1Mbps國際最高速安全秘鑰率紀錄,兩項記錄均保持至今(Sci.Rep.6:19201,2016,ESI論文;23:17511,2015);
圖3150km國際多模光纖最長距離高斯調制相干態CVQKD實驗
圖4國際上最高分辨率隨傳本振高斯調制相干態CVQKD實驗
(3)國際上首次實驗實現了無需本振光傳輸的高速CVQKD,開辟了CVQKD技術新的高性能實現方向(Opt.Lett.40:3695,2015)宇宙 量子通訊,基于此技術創造了本地本振類高斯調制相干態CVQKD方案3.新的世界記錄(Opt.,26,2794,2018);
圖5國際上首個本地本振高斯調制相干態CVQKD實驗
圖6國際上最高安全分辨率本地本振高斯調制相干態CVQKD實驗
(4)系統研究了CVQKD系統實際安全性理論及技術,首次提出分辨功擊、激光注入功擊、衰減器功擊等系列功擊方案,并提出了基于機器學習、異步查找通訊等系列高效安全防御方案,建立了可防御幾乎所有針對現有實際安全漏洞的CVQKD安全系統(代表性論文見:Phys.Rev.A,100,,2019;Opt.,27:27369,2019;Phys.Rev.A,95:,2017;Phys.Rev.A,97,,2018);
圖7CVQKD衰減功擊(左圖)及激光種子功擊(下圖)
圖8基于功率監控(左圖)及同步取樣(下圖)的異步實際安全CVQKD方案
圖9基于機器學習的實際安全CVQKD實驗
圖10連續變量量子秘鑰分發實際安全監控系統
(5)主持建立了國際上首套高速CVQKD高速原型系統,系統外頻達到25MHz,50km標準多模光纖下最終平均成分辨率,為有報導的國際上最高速率CVQKD實驗原型系統,至今仍然保持該項記錄(Sci.Rep.5,14607,2015)。該成果獲得第十八屆中國國際高新技術成果交易會優秀產品獎,該工作為CVQKD系統邁向實際應用奠定了扎實基礎;
圖1125MHz國際最高速CVQKD系統及得獎證書
(6)舉辦了CVQKD系統一體化樣機研發及實地實驗驗證工作。2016年初研發了CVQKD系統一體化樣機,并交付給華為技術有限公司。2016年11月,研發出了國外首套基于連續變量量子秘鑰分發的連續變量量子保密電話工程系統,可進行實時保密電話通訊宇宙 量子通訊,該成果參展了第十八屆中國國際工業博覽會。基于以上樣機系統,借助聯接天津師大四個學校的實際光網路在國際上首次實現了實地網路中各節點間CVQKD,最大秘鑰率達到@3.21dB(Opt.Lett.41:,2016)
圖12一體化CVQKD樣機及參展工博會的量子保密電話工程系統
圖13國際首個基于實際光纖網路的CVQKD網路通訊試驗
(7)全面研究了大氣效應對量子秘鑰分發的影響,首次從理論和實驗上共同驗證了自由空間CVQKD對背景光的天然的強抗干擾能力,進而驗證了CVQKD技術可用于實現全天時量子保密通訊,相關工作得到量子密碼國際頂會最佳海報獎(152篇選出2篇,NewJ.Phys.,20:,2018;Phys.Rev.,12:,2019)。
圖14自由空間大氣效應下的CVQKD研究及得獎
圖15國際首次全天時自由空間CVQKD理論及實驗驗證