中国科大在高安全量子密钥分发网络方面取得新进展

　　【仪表网 仪表研发】中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子密钥分发网络化研究方面取得重要进展。该团队韩正甫教授及其合作者王双、银振强、陈巍等实现了抗环境干扰的非可信节点量子密钥分发网络，全面提高了量子密钥分发网络的安全性、可用性和可靠性，向实现下一代量子网络迈出了重要的一步。相关研究成果于7月16日在线发表在国际学术知名期刊《Optica》上[Optica, 9, 812-823(2022)]。
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　　网络安全是信息时代的重要主题，量子密钥分发网络以量子物理原理为基础，可为成千上万的用户提供信息论安全的保密通信服务，构建安全可控的网络环境。当前，量子保密通信网络已在全球各地先后部署，在实践中证明了其优越的安全通信能力。但网络中对于可信节点的需求提高了其实际部署的门槛，如何免除用户链路上必须可信的中间节点，降低对通信链路的安全性要求，从而构建下一代基于非可信节点的量子网络，是目前急需解决的问题。
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　　测量设备无关量子密钥分发协议(MDI-QKD)通过设置一个非可信节点对编码量子态进行联合测量，可在两个用户间构建安全的通信链路，是构建百公里级城域量子网络的重要角色。然而联合测量不仅限定了参与用户的数量，还对信道环境的稳定性提出了更高的要求，不利于在复杂网络环境下进行部署。韩正甫课题组多年来围绕这一问题展开深入研究，2015年实现了参考系测量设备双无关系统(Phys. Rev. Lett. 115, 160502 (2015))，解决了相位扰动的问题；2017年设计出环境鲁棒型系统(Optica 4, 1016-1023 (2017))，进一步实现了抗偏振扰动能力；2021年提出非独立组网方案(Photon. Res. 9, 1881-1891 (2021))，探索测量设备无关系统的网络化路线。至此，解决MDI-QKD网络的多用户可用性和环境干扰下的可靠性问题，其条件已经具备。
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图1 测量设备无关网络的实施框图
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　　在本研究中，课题组设计了“萨格纳克-马赫-曾德尔”结构的非相敏量子编码器，能够免除相位参考系的补偿；同时，课题组借助随机化，擦除了编码量子态的偏振信息，使其具备抗信道偏振扰动能力；最后，课题组重新利用偏振维度进行多用户配对，能够同步实现多对用户的Hong-Ou-Mandel干涉和联合测量。在此基础上，课题组完成了测量设备无关量子密钥分发网络的构建，使其同时具备抗环境干扰、无需可信节点、支持多用户灵活组网的特性。该成果推动了下一代量子保密通信网络的实用化，为未来量子互联网的具体形态做出了有益的探索。
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　　该工作的共同第一作者为中科院量子信息重点实验室特任副研究员范元冠杰和博士后卢奉宇，王双教授、银振强教授是该工作的共同通讯作者。这项工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国博士后科学基金会、中国科学院和安徽省的资助。