基于雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)合同（TF-QKD），中國(guó)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室外首次將光纖量子秘鑰分發(fā)的安全成碼距離推至500公里以上，創(chuàng)造了光纖量子秘鑰分發(fā)的新紀(jì)錄，但是在超過500公里的光纖成分辨率打破了傳統(tǒng)無中繼量子秘鑰分發(fā)所限定的絕對(duì)成分辨率極限。相關(guān)研究成果發(fā)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(duì)于現(xiàn)代社會(huì)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?cè)趯⑿畔鬟f給接收者之前，借助秘鑰對(duì)其進(jìn)行加密，而后接收者基于秘鑰對(duì)加密信息進(jìn)行揭秘。
可見，信息的安全性依賴于秘鑰的安全性。若要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)聚首遙遠(yuǎn)的通訊節(jié)點(diǎn)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(fā)（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(shí)際應(yīng)用，要想在現(xiàn)實(shí)條件下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、安全的量子通訊，還面臨著好多挑戰(zhàn)。信道耗損和偵測(cè)器噪音，阻礙著量子秘鑰分發(fā)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(yuǎn)的秘鑰傳輸距離，是目前亟需解決的困局。在實(shí)現(xiàn)安全、實(shí)用的量子通訊的征程上，為了克服出現(xiàn)的種種困難，各類理論設(shè)想和實(shí)驗(yàn)方案被不斷提出：從最早的BB84合同，到引誘態(tài)量子秘鑰分發(fā)(decoy-stateQKD)和檢測(cè)設(shè)備無關(guān)量子秘鑰分發(fā)（--QKD，MDI-QKD），再到近來三年提出并得到實(shí)驗(yàn)否認(rèn)的雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)合同（twin-fieldQKD，TF-QKD）。
量子秘鑰分發(fā)和BB84合同
哪些是量子秘鑰分發(fā)？
所謂的量子秘鑰分發(fā)，實(shí)際上是一種借助量子系統(tǒng)作為信息載體進(jìn)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(fā)送端加載編碼信息、接收端偵測(cè)解碼信息，從而提取共享安全秘鑰。
量子熱學(xué)基本原理保證了通訊的安全性。諸如基于海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理，功擊者難以精確檢測(cè)量子態(tài)，任何檢測(cè)的監(jiān)聽行為都必然造成不可防止的系統(tǒng)擾動(dòng)，因而被QKD用戶發(fā)覺功擊痕跡。
BB84合同
量子秘鑰分發(fā)的第一個(gè)合同——BB84合同是日本化學(xué)學(xué)家H.和美國(guó)密碼學(xué)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(diǎn)式通訊構(gòu)架，即一個(gè)發(fā)送端（Alice），一個(gè)檢測(cè)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(gè)正交偏振光態(tài)（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(bǔ)碼比特信息隨機(jī)數(shù)，Alice將光源編碼成相應(yīng)偏振光的單光子量子態(tài)——H偏振光態(tài)及－45o偏振光態(tài)代表精典比特信息0，V偏振光態(tài)及＋45o偏振光態(tài)代表精典比特信息1，進(jìn)行傳輸，同時(shí)Bob也隨機(jī)地選用直角基矢以及斜角基矢之一進(jìn)行檢測(cè)并記錄結(jié)果。
當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一段時(shí)間后，Alice和Bob在一個(gè)認(rèn)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(jìn)行信息比對(duì)一致性，當(dāng)錯(cuò)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(jìn)行下一次通訊，直到篩后秘鑰比對(duì)的結(jié)果滿足錯(cuò)誤率要求，最后再進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理（糾錯(cuò)和隱私放大等）使Alice和Bob共享一段相同的安全秘鑰。因?yàn)槊罔€分發(fā)過程中量子通訊設(shè)備，Alice和Bob所選用的基矢是隨機(jī)的，且兩組基矢是非正交的，入侵者若要監(jiān)聽，就須要對(duì)這種未知的單量子態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，由于測(cè)不準(zhǔn)原理，被檢測(cè)的量子態(tài)必然會(huì)形成隨機(jī)的檢測(cè)結(jié)果，最終造成Alice和Bob篩后秘鑰比對(duì)的結(jié)果錯(cuò)誤率提升，進(jìn)而使入侵者被發(fā)覺。
圖1BB84量子秘鑰分發(fā)合同
量子熱學(xué)基本原理保證了BB84合同具有信息理論安全性，但因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中實(shí)驗(yàn)元件的不完美性，致使真實(shí)系統(tǒng)的量子秘鑰分發(fā)可能會(huì)存在一些安全性隱患。辛運(yùn)的是，在全球?qū)W術(shù)界三十余年的共同努力下，目前，結(jié)合“測(cè)量元件無關(guān)量子秘鑰分發(fā)”協(xié)議和經(jīng)過精確標(biāo)定、自主可控光源的量子通訊系統(tǒng)早已可以提供現(xiàn)實(shí)條件下的安全性（詳見“量子信息和量子技術(shù)藍(lán)皮書（南京宣言）”）。
檢測(cè)設(shè)備無關(guān)量子秘鑰分發(fā)
合同原理及安全性
檢測(cè)設(shè)備無關(guān)量子秘鑰分發(fā)（）合同由Hoi-KwongLo院長(zhǎng)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(xué)院的借助糾纏源結(jié)合BB84合同的思想的簡(jiǎn)約性，提出了BBM92合同，并證明本質(zhì)上和BB84合同等價(jià)。
BBM92合同中，第三方的糾纏源形成的糾纏光子對(duì)分發(fā)給Alice和Bob檢測(cè)，Alice和Bob的檢測(cè)方法采用和BB84合同相同的檢測(cè)方法。在精典通訊部份，Alice和Bob公布她們所用的檢測(cè)基矢，保留基矢相同的檢測(cè)結(jié)果為篩后秘鑰，再經(jīng)過數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)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(huì)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(zhí)行過程進(jìn)行“時(shí)間反演”。具體地，Alice和Bob作為光源，根據(jù)BB84合同相同的編碼方案制備量子態(tài)，之后發(fā)送給中間第三方。將Alice和Bob發(fā)送過來的2個(gè)光子進(jìn)行干涉，通過基于雙光子干涉和符合偵測(cè)操作，得到后選擇下來的糾纏光子對(duì)。類比BBM92合同，的安全性并不依賴第三方通過符合檢測(cè)得到的“糾纏源”，因而合同的安全性不依賴于的檢測(cè)設(shè)備，是檢測(cè)設(shè)備無關(guān)的。
圖2基于糾纏分發(fā)的BBM92合同（左）和合同（右）
通訊構(gòu)架
檢測(cè)設(shè)備無關(guān)量子秘鑰分發(fā)屬于三點(diǎn)式通訊構(gòu)架，如圖3（a）所示，Alice和Bob作為兩個(gè)發(fā)送端，作為接收檢測(cè)端，Alice和Bob按照公布的檢測(cè)結(jié)果來共享一段相同的安全秘鑰，整個(gè)過程的檢測(cè)結(jié)果不會(huì)影響到通訊的安全性，即所謂的檢測(cè)設(shè)備無關(guān)。
真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，檢測(cè)設(shè)備無關(guān)量子秘鑰分發(fā)方案的安全性是目前遠(yuǎn)距離量子秘鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)里最高的，曾一度也是光纖量子秘鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)中傳輸距離最遠(yuǎn)的——404公里。直至2018年Hugo團(tuán)隊(duì)借助引誘態(tài)BB84量子秘鑰分發(fā)方案實(shí)現(xiàn)了421公里的光纖傳輸距離才打破這一紀(jì)錄，但真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中BB84量子秘鑰分發(fā)方案的安全性難以做到與檢測(cè)設(shè)備無關(guān)。為此，綜合真實(shí)環(huán)境里的安全性以及傳輸距離，檢測(cè)設(shè)備無關(guān)量子秘鑰分發(fā)是目前最優(yōu)的遠(yuǎn)距離光纖量子秘鑰分發(fā)方案。
線性成碼極限
傳統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備無關(guān)量子秘鑰分發(fā)采用雙光子符合風(fēng)波作為有效偵測(cè)風(fēng)波，即接收方每形成一次拿來成碼的有效偵測(cè)須要消耗兩個(gè)光子，其安全成分辨率隨著信道衰減線性增長(zhǎng)，因而在無量子中繼的情形下，傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備無關(guān)量子秘鑰分發(fā)的安全成分辨率是難以突破線性成碼極限的。
圖3(a)傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備無關(guān)量子秘鑰分發(fā)；(b)雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)
量子秘鑰分發(fā)面臨的難點(diǎn)
雖然量子秘鑰分發(fā)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(yuǎn)的秘鑰傳輸距離。
在成幀率方面，富士通歐研所A.J.團(tuán)隊(duì)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(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉團(tuán)隊(duì)于2017年基于墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了1200公里自由空間的量子秘鑰分發(fā)，日內(nèi)瓦學(xué)院Hugo團(tuán)隊(duì)于2018年實(shí)現(xiàn)了421公里光纖的量子秘鑰分發(fā)。
雖然這么，這種量子秘鑰分發(fā)的理論和實(shí)驗(yàn)工作，仍然都沒有突破無中繼情形下量子秘鑰分發(fā)成分辨率-距離的極限——接收設(shè)備不形成任何偵測(cè)噪音時(shí)該距離下的成分辨率。并且，上述實(shí)際量子秘鑰分發(fā)系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)一步限制在成分辨率-距離的極限之內(nèi)，由于檢測(cè)設(shè)備就會(huì)存在一定噪音，噪音會(huì)減少傳輸?shù)某煞直媛省ｋS著傳輸距離越來越長(zhǎng)，信道衰減越來越大，檢測(cè)設(shè)備所能檢測(cè)到的訊號(hào)計(jì)數(shù)也越來越少，而檢測(cè)設(shè)備形成的噪音在訊號(hào)中占比也越來越大，當(dāng)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(yuǎn)距離光纖量子通訊過程中，信道傳遞的量子態(tài)會(huì)隨著通訊距離的降低呈指數(shù)降低，極大地限制了量子通訊的有效傳輸距離。若設(shè)置量子通訊網(wǎng)路中繼站，將一段長(zhǎng)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(hào)不再隨距離的降低而指數(shù)衰減，因而擴(kuò)充量子通訊的距離。實(shí)現(xiàn)量子通訊網(wǎng)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(yán)密監(jiān)控下的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，可信中繼首先采用內(nèi)部的量子秘鑰分發(fā)設(shè)備，分別與聯(lián)接可信中繼的兩方單獨(dú)進(jìn)行量子秘鑰分發(fā)，形成各自秘鑰，之后進(jìn)行秘鑰中轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)，中繼站也是曉得的。因而，可信中繼須要通過傳統(tǒng)的安全保障來確保其秘鑰數(shù)據(jù)在站點(diǎn)內(nèi)的安全性。
而量子中繼是讓發(fā)送方和接收方通過它構(gòu)建關(guān)聯(lián)，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(shù)據(jù)泄漏的問題。雖然有內(nèi)鬼，最糟也只是讓量子中繼不能運(yùn)行，但不能泄露到數(shù)據(jù)。量子中繼須要用到量子儲(chǔ)存器儲(chǔ)存一些對(duì)監(jiān)聽者無用的中間量子態(tài)，但是，目前的量子儲(chǔ)存性能有限，實(shí)現(xiàn)實(shí)用化量子中繼器還需假以時(shí)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(cè)所消耗的光子數(shù)比傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備無關(guān)量子秘鑰分發(fā)更少，這么我們就可以在相同的信道耗損下獲得比傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備無關(guān)量子秘鑰分發(fā)更多的有效偵測(cè)，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(chǎng)量子秘鑰分發(fā)合同。
雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)
所謂的雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)，即借助單光子干涉后的偵測(cè)作為有效偵測(cè)風(fēng)波的檢測(cè)設(shè)備無關(guān)量子秘鑰分發(fā)，僅需單個(gè)偵測(cè)器響應(yīng)，而不須要傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備無關(guān)量子秘鑰分發(fā)的雙光子符合所需的兩個(gè)偵測(cè)器同時(shí)響應(yīng)。當(dāng)干涉以后的兩個(gè)偵測(cè)器之一響應(yīng)的時(shí)侯，Alice和Bob的編碼相位呈正關(guān)聯(lián)或反關(guān)聯(lián)關(guān)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(tǒng)檢測(cè)設(shè)備無關(guān)量子秘鑰分發(fā)的安全性一樣，都是檢測(cè)設(shè)備無關(guān)的。如圖3（b）所示，接收方每形成一次拿來成碼的有效偵測(cè)只須要消耗一個(gè)光子，是傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備無關(guān)量子秘鑰分發(fā)偵測(cè)消耗的雙光子的一半，且該光子僅經(jīng)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(zhǎng)，因而在長(zhǎng)距離傳輸情形下，雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)較傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備無關(guān)量子秘鑰分發(fā)具有更高的成分辨率以及更遠(yuǎn)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(fā)的成分辨率線性極限。
技術(shù)難點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)
我們?cè)缫蚜私獾?strong>量子通訊設(shè)備，雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)的核心是借助單光子干涉。與此同時(shí)，將單光子干涉結(jié)果作為有效偵測(cè)，也促使雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)施行上去非常困難。要在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單光子干涉，首先須要將Alice和Bob兩個(gè)遠(yuǎn)程獨(dú)立激光器的波長(zhǎng)鎖定為一致，以清除Alice和Bob激光器波長(zhǎng)不同所造成的相位差，其次須要通過單光子偵測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離光纖鏈路相對(duì)相位快速甩尾的精準(zhǔn)恐怕。
這么一來，與傳統(tǒng)相位編碼的檢測(cè)設(shè)備無關(guān)量子秘鑰分發(fā)相比較，雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)的發(fā)送方在編碼時(shí)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(jié)果，來評(píng)估傳輸過程中長(zhǎng)距離光纖鏈路引入的相對(duì)相位快速甩尾。如圖4所示，雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)在編碼時(shí)序上，不僅原先信息編碼的量子光區(qū)間（脈沖硬度為單光子水平），還降低了強(qiáng)的參考光區(qū)間（強(qiáng)光脈沖）——用于光纖鏈路相對(duì)相位快速甩尾的精準(zhǔn)恐怕，以及單光子偵測(cè)器經(jīng)歷強(qiáng)光后的恢復(fù)時(shí)間（不發(fā)光）。據(jù)悉，因?yàn)榻档土藦?qiáng)的相位參考光脈沖，雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)的單光子偵測(cè)器須要同時(shí)滿足高計(jì)數(shù)率、高效率及超低暗計(jì)數(shù)。
圖4雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)編碼時(shí)序
光纖量子秘鑰分發(fā)的新紀(jì)錄
中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉實(shí)驗(yàn)小組分別基于復(fù)旦學(xué)院王向斌提出的“發(fā)送-不發(fā)送”的雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)合同和馬雄峰提出的相位匹配雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)合同，發(fā)展時(shí)頻傳輸技術(shù)和激光注入鎖定技術(shù)，將兩個(gè)獨(dú)立的遠(yuǎn)程激光器的波長(zhǎng)鎖定為相同，以及借助附加相位參考光來恐怕光纖的相對(duì)相位快速飄移并進(jìn)行相位后處理。同時(shí)結(jié)合中國(guó)科大學(xué)北京微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研發(fā)的高計(jì)數(shù)率、低噪音單光子偵測(cè)器，最終在實(shí)驗(yàn)室外首次將光纖量子秘鑰分發(fā)的安全成碼距離推至500公里以上，創(chuàng)造了光纖量子秘鑰分發(fā)的新紀(jì)錄，但是在超過500公里的光纖成分辨率打破了傳統(tǒng)無量子中繼量子秘鑰分發(fā)所限定的絕對(duì)成分辨率極限，即超過了理想的偵測(cè)裝置（偵測(cè)器效率為100%）下的無量子中繼量子秘鑰分發(fā)成碼極限。
在未來，科學(xué)家們都會(huì)將雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)應(yīng)用于實(shí)地，實(shí)現(xiàn)城際之間安全的光纖量子秘鑰分發(fā)，但是假如將雙場(chǎng)量子秘鑰分實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重復(fù)頻度進(jìn)一步升級(jí)至滬寧干線等遠(yuǎn)距離量子通訊網(wǎng)路中采用的1GHz，在300公里處，成分辨率可達(dá)5kbps，這將大量降低骨干光纖量子通訊網(wǎng)路中的可信中繼數(shù)目，急劇提高光纖量子保密通訊網(wǎng)路的安全性。
謝謝徐飛虎院士、湯艷琳博士對(duì)此文的修正
關(guān)于“墨子沙龍”
墨子沙龍是由中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院蘇州研究院承辦、上海市南匯新區(qū)科學(xué)技術(shù)商會(huì)及中國(guó)農(nóng)大新創(chuàng)校繪王金會(huì)協(xié)辦的公益性小型科普峰會(huì)。沙龍的科普對(duì)象為對(duì)科學(xué)有濃烈興趣、熱愛科普的普通民眾，力圖構(gòu)建具有學(xué)生學(xué)力便可以了解當(dāng)下全球最尖端科學(xué)資訊的科普講堂。
