基于雙場量子秘鑰分發合同（TF-QKD），中國科學家在實驗室外首次將光纖量子秘鑰分發的安全成碼距離推至500公里以上，創造了光纖量子秘鑰分發的新紀錄，但是在超過500公里的光纖成分辨率打破了傳統無中繼量子秘鑰分發所限定的絕對成分辨率極限。相關研究成果發表在（并被選為“編輯推薦”文章）和上。
作者|陳玖朋
編輯|王佳
通訊對于現代社會的意義不言而喻。在通訊世界里，信息的安全性總是首位的。為了保證信息的安全，人們在將信息傳遞給接收者之前，借助秘鑰對其進行加密，而后接收者基于秘鑰對加密信息進行揭秘。
可見，信息的安全性依賴于秘鑰的安全性。若要實現兩個聚首遙遠的通訊節點間的安全秘鑰共享，就須要一種安全的秘鑰傳輸方法，而量子秘鑰分發（key，QKD）作為目前最安全的秘鑰傳輸方法，可做到理論上的信息論安全。
從理論到實際應用，要想在現實條件下實現遠距離、安全的量子通訊，還面臨著好多挑戰。信道耗損和偵測器噪音，阻礙著量子秘鑰分發的適用范圍，怎樣獲得更高的成分辨率（秘鑰生成速度）以及更遠的秘鑰傳輸距離，是目前亟需解決的困局。在實現安全、實用的量子通訊的征程上，為了克服出現的種種困難，各類理論設想和實驗方案被不斷提出：從最早的BB84合同，到引誘態量子秘鑰分發(decoy-stateQKD)和檢測設備無關量子秘鑰分發（--QKD，MDI-QKD），再到近來三年提出并得到實驗否認的雙場量子秘鑰分發合同（twin-fieldQKD，TF-QKD）。
量子秘鑰分發和BB84合同
哪些是量子秘鑰分發？
所謂的量子秘鑰分發，實際上是一種借助量子系統作為信息載體進行傳輸，從而提取共享安全秘鑰的保密通訊方法，例如采用單光子作為載體，發送端加載編碼信息、接收端偵測解碼信息，從而提取共享安全秘鑰。
量子熱學基本原理保證了通訊的安全性。諸如基于海森堡測不準原理，功擊者難以精確檢測量子態，任何檢測的監聽行為都必然造成不可防止的系統擾動，因而被QKD用戶發覺功擊痕跡。
BB84合同
量子秘鑰分發的第一個合同——BB84合同是日本化學學家H.和美國密碼學家在1984年提出的，BB84得名于三人姓的首字母和提出年份。BB84合同屬于兩點式通訊構架，即一個發送端（Alice），一個檢測端（Bob），如圖1所示，Alice在單光子的偏振光維度上，選用兩組非正交基矢以及每組基矢下兩個正交偏振光態（直角基矢下的H偏振光，V偏振光，以及斜角基矢下的＋45o偏振光，－45o偏振光）。按照0和1精典二補碼比特信息隨機數，Alice將光源編碼成相應偏振光的單光子量子態——H偏振光態及－45o偏振光態代表精典比特信息0，V偏振光態及＋45o偏振光態代表精典比特信息1，進行傳輸，同時Bob也隨機地選用直角基矢以及斜角基矢之一進行檢測并記錄結果。
當實驗進行一段時間后，Alice和Bob在一個認證的公共信道上公布所選用的基矢信息，之后各自保留所選的相同基矢下的信息即可獲得篩后秘鑰，再各自從篩后秘鑰中抽樣一段進行信息比對一致性，當錯誤率超過一定界限即覺得這次通訊不安全，舍棄該次通訊形成的秘鑰，之后再進行下一次通訊，直到篩后秘鑰比對的結果滿足錯誤率要求，最后再進行數據后處理（糾錯和隱私放大等）使Alice和Bob共享一段相同的安全秘鑰。因為秘鑰分發過程中量子通訊設備，Alice和Bob所選用的基矢是隨機的，且兩組基矢是非正交的，入侵者若要監聽，就須要對這種未知的單量子態進行檢測，由于測不準原理，被檢測的量子態必然會形成隨機的檢測結果，最終造成Alice和Bob篩后秘鑰比對的結果錯誤率提升，進而使入侵者被發覺。
圖1BB84量子秘鑰分發合同
量子熱學基本原理保證了BB84合同具有信息理論安全性，但因為現實中實驗元件的不完美性，致使真實系統的量子秘鑰分發可能會存在一些安全性隱患。辛運的是，在全球學術界三十余年的共同努力下，目前，結合“測量元件無關量子秘鑰分發”協議和經過精確標定、自主可控光源的量子通訊系統早已可以提供現實條件下的安全性（詳見“量子信息和量子技術藍皮書（南京宣言）”）。
檢測設備無關量子秘鑰分發
合同原理及安全性
檢測設備無關量子秘鑰分發（）合同由Hoi-KwongLo院長等人于2012年提出。為介紹合同的思想，首先介紹BBM92合同。BB84合同提出者和以及康奈爾學院的借助糾纏源結合BB84合同的思想的簡約性，提出了BBM92合同，并證明本質上和BB84合同等價。
BBM92合同中，第三方的糾纏源形成的糾纏光子對分發給Alice和Bob檢測，Alice和Bob的檢測方法采用和BB84合同相同的檢測方法。在精典通訊部份，Alice和Bob公布她們所用的檢測基矢，保留基矢相同的檢測結果為篩后秘鑰，再經過數據后處理將篩后秘鑰中的誤碼和Eve的信息都除去，得到完全一致的一串安全秘鑰。BBM92合同和標準BB84合同不同之處在于其安全性并不依賴于第三方的糾纏源，也即糾纏源在形成、傳輸過程中Eve的任何操作都不會影響到BBM92合同最后形成秘鑰的安全性。
相比而言，合同則是將BBM92的執行過程進行“時間反演”。具體地，Alice和Bob作為光源，根據BB84合同相同的編碼方案制備量子態，之后發送給中間第三方。將Alice和Bob發送過來的2個光子進行干涉，通過基于雙光子干涉和符合偵測操作，得到后選擇下來的糾纏光子對。類比BBM92合同，的安全性并不依賴第三方通過符合檢測得到的“糾纏源”，因而合同的安全性不依賴于的檢測設備，是檢測設備無關的。
圖2基于糾纏分發的BBM92合同（左）和合同（右）
通訊構架
檢測設備無關量子秘鑰分發屬于三點式通訊構架，如圖3（a）所示，Alice和Bob作為兩個發送端，作為接收檢測端，Alice和Bob按照公布的檢測結果來共享一段相同的安全秘鑰，整個過程的檢測結果不會影響到通訊的安全性，即所謂的檢測設備無關。
真實的實驗環境中，檢測設備無關量子秘鑰分發方案的安全性是目前遠距離量子秘鑰分發實驗里最高的，曾一度也是光纖量子秘鑰分發實驗中傳輸距離最遠的——404公里。直至2018年Hugo團隊借助引誘態BB84量子秘鑰分發方案實現了421公里的光纖傳輸距離才打破這一紀錄，但真實實驗環境中BB84量子秘鑰分發方案的安全性難以做到與檢測設備無關。為此，綜合真實環境里的安全性以及傳輸距離，檢測設備無關量子秘鑰分發是目前最優的遠距離光纖量子秘鑰分發方案。
線性成碼極限
傳統的檢測設備無關量子秘鑰分發采用雙光子符合風波作為有效偵測風波，即接收方每形成一次拿來成碼的有效偵測須要消耗兩個光子，其安全成分辨率隨著信道衰減線性增長，因而在無量子中繼的情形下，傳統檢測設備無關量子秘鑰分發的安全成分辨率是難以突破線性成碼極限的。
圖3(a)傳統檢測設備無關量子秘鑰分發；(b)雙場量子秘鑰分發
量子秘鑰分發面臨的難點
雖然量子秘鑰分發已取得諸多重要研究成果，但目前依然面臨兩大困局，即怎樣獲得更高的成分辨率（秘鑰生成速度）以及更遠的秘鑰傳輸距離。
在成幀率方面，富士通歐研所A.J.團隊于2014年在50公里光纖距離下獲得1.2Mbps的成幀率。
在傳輸距離方面，中國科學技術學院潘建偉團隊于2017年基于墨子號量子科學實驗衛星實現了1200公里自由空間的量子秘鑰分發，日內瓦學院Hugo團隊于2018年實現了421公里光纖的量子秘鑰分發。
雖然這么，這種量子秘鑰分發的理論和實驗工作，仍然都沒有突破無中繼情形下量子秘鑰分發成分辨率-距離的極限——接收設備不形成任何偵測噪音時該距離下的成分辨率。并且，上述實際量子秘鑰分發系統就會進一步限制在成分辨率-距離的極限之內，由于檢測設備就會存在一定噪音，噪音會減少傳輸的成分辨率。隨著傳輸距離越來越長，信道衰減越來越大，檢測設備所能檢測到的訊號計數也越來越少，而檢測設備形成的噪音在訊號中占比也越來越大，當噪音占比超過一定界線，傳輸過程便不能生成秘鑰。
可信中繼和量子中繼
遠距離光纖量子通訊過程中，信道傳遞的量子態會隨著通訊距離的降低呈指數降低，極大地限制了量子通訊的有效傳輸距離。若設置量子通訊網路中繼站，將一段長距離光纖信道分割成多段距離比較短的信道，可促使量子訊號不再隨距離的降低而指數衰減，因而擴充量子通訊的距離。實現量子通訊網路中繼站的形式，我們一般有兩種選擇——可信中繼和量子中繼。
可信中繼是嚴密監控下的數據中轉站，可信中繼首先采用內部的量子秘鑰分發設備，分別與聯接可信中繼的兩方單獨進行量子秘鑰分發，形成各自秘鑰，之后進行秘鑰中轉，實現兩方之間的秘鑰共享。這么，在這些情況下兩方所共享的秘鑰數據，中繼站也是曉得的。因而，可信中繼須要通過傳統的安全保障來確保其秘鑰數據在站點內的安全性。
而量子中繼是讓發送方和接收方通過它構建關聯，但中繼站本身并不曉得具體的編解碼值的信息。為此，量子中繼器不存在數據泄漏的問題。雖然有內鬼，最糟也只是讓量子中繼不能運行，但不能泄露到數據。量子中繼須要用到量子儲存器儲存一些對監聽者無用的中間量子態，但是，目前的量子儲存性能有限，實現實用化量子中繼器還需假以時日。
突破無量子中繼的線性成碼極限
這么無量子中繼的線性成碼極限是否就真的難以突破了呢？答案是否定的。倘若我們能做到每次拿來成碼的有效偵測所消耗的光子數比傳統檢測設備無關量子秘鑰分發更少，這么我們就可以在相同的信道耗損下獲得比傳統檢測設備無關量子秘鑰分發更多的有效偵測，因而獲得比線性成碼極限更高的成幀率。這就是我們接出來要說的雙場量子秘鑰分發合同。
雙場量子秘鑰分發
所謂的雙場量子秘鑰分發，即借助單光子干涉后的偵測作為有效偵測風波的檢測設備無關量子秘鑰分發，僅需單個偵測器響應，而不須要傳統檢測設備無關量子秘鑰分發的雙光子符合所需的兩個偵測器同時響應。當干涉以后的兩個偵測器之一響應的時侯，Alice和Bob的編碼相位呈正關聯或反關聯關系，而且難以曉得Alice和Bob的編碼是0或則1，因而該合同的安全性和傳統檢測設備無關量子秘鑰分發的安全性一樣，都是檢測設備無關的。如圖3（b）所示，接收方每形成一次拿來成碼的有效偵測只須要消耗一個光子，是傳統檢測設備無關量子秘鑰分發偵測消耗的雙光子的一半，且該光子僅經歷單邊信道，衰減是信道總衰減的平方根，因而安全成分辨率提高至隨信道衰減的平方根增長，因而在長距離傳輸情形下，雙場量子秘鑰分發較傳統檢測設備無關量子秘鑰分發具有更高的成分辨率以及更遠的成碼距離，甚至可以在無量子中繼的情形下輕松突破量子秘鑰分發的成分辨率線性極限。
技術難點與實驗實現
我們早已了解到量子通訊設備，雙場量子秘鑰分發的核心是借助單光子干涉。與此同時，將單光子干涉結果作為有效偵測，也促使雙場量子秘鑰分發施行上去非常困難。要在實現穩定的單光子干涉，首先須要將Alice和Bob兩個遠程獨立激光器的波長鎖定為一致，以清除Alice和Bob激光器波長不同所造成的相位差，其次須要通過單光子偵測結果實現長距離光纖鏈路相對相位快速甩尾的精準恐怕。
這么一來，與傳統相位編碼的檢測設備無關量子秘鑰分發相比較，雙場量子秘鑰分發的發送方在編碼時序上須要降低附加相位參考光脈沖，且接收方須要依照附加相位參考光脈沖的干涉結果，來評估傳輸過程中長距離光纖鏈路引入的相對相位快速甩尾。如圖4所示，雙場量子秘鑰分發在編碼時序上，不僅原先信息編碼的量子光區間（脈沖硬度為單光子水平），還降低了強的參考光區間（強光脈沖）——用于光纖鏈路相對相位快速甩尾的精準恐怕，以及單光子偵測器經歷強光后的恢復時間（不發光）。據悉，因為降低了強的相位參考光脈沖，雙場量子秘鑰分發實驗的單光子偵測器須要同時滿足高計數率、高效率及超低暗計數。
圖4雙場量子秘鑰分發編碼時序
光纖量子秘鑰分發的新紀錄
中國科學技術學院潘建偉實驗小組分別基于復旦學院王向斌提出的“發送-不發送”的雙場量子秘鑰分發合同和馬雄峰提出的相位匹配雙場量子秘鑰分發合同，發展時頻傳輸技術和激光注入鎖定技術，將兩個獨立的遠程激光器的波長鎖定為相同，以及借助附加相位參考光來恐怕光纖的相對相位快速飄移并進行相位后處理。同時結合中國科大學北京微系統與信息技術研究所研發的高計數率、低噪音單光子偵測器，最終在實驗室外首次將光纖量子秘鑰分發的安全成碼距離推至500公里以上，創造了光纖量子秘鑰分發的新紀錄，但是在超過500公里的光纖成分辨率打破了傳統無量子中繼量子秘鑰分發所限定的絕對成分辨率極限，即超過了理想的偵測裝置（偵測器效率為100%）下的無量子中繼量子秘鑰分發成碼極限。
在未來，科學家們都會將雙場量子秘鑰分發應用于實地，實現城際之間安全的光纖量子秘鑰分發，但是假如將雙場量子秘鑰分實驗系統的重復頻度進一步升級至滬寧干線等遠距離量子通訊網路中采用的1GHz，在300公里處，成分辨率可達5kbps，這將大量降低骨干光纖量子通訊網路中的可信中繼數目，急劇提高光纖量子保密通訊網路的安全性。
謝謝徐飛虎院士、湯艷琳博士對此文的修正
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