PHYSICAL REVIEW LETTERS：我国科学家实现模式匹配量子密钥分发

中国科学技术大学潘建伟、陈腾云等与清华大学马雄峰合作研究，首次实现了模式匹配量子密钥分发。相关研究以“Experimental Mode-Pairing Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution without Global Phase Locking”为题发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。

量子密钥分发(Quantum key distribution, QKD)作为量子网络的组成部分，可以实现理论上无条件安全的保密通信，因此在近几十年来一直是学术界的研究热点。

模式匹配量子密钥分发协议（MP-QKD）是由清华大学马雄峰研究组于2022年提出的一种新型测量设备无关量子密钥分发协议，相较于原始的测量设备无关协议(MDI-QKD)，可以将更多的探测事件用于成码，可以很大程度提高成码率；相较于双场量子密钥分发协议(TF-QKD)和相位匹配协议（PM-QKD），无需复杂的激光器锁频锁相技术，节省成本且降低了实际应用难度，同时对环境噪声有更好的抗干扰能力。

如图1所示，两个通信方Alice和Bob向一个不受信任方Charlie拥有的检测站点发射编码的激光脉冲。Charlie使用干涉仪作为量子中继来关联接收到的量子信号。Charlie公布了干扰测量结果，Alice和Bob可以根据这些结果提取安全密钥位。MDI QKD的安全性不需要对Charlie如何进行测量和公告进行假设，因此自然不受所有检测攻击的影响。同时，MDI QKD有助于减少可信节点的数量，使量子通信网络更具可实现性。

图1所示：不同MDI QKD方案的比较。在使用双模编码的传统MDI QKD方案中，关键信息被编码到两个预定的脉冲中。只有当Charlie检测到两个脉冲时，Alice和Bob才能学习编码信息，用灰色箭头表示。在采用单模编码的双场QKD方案中，关键信息被编码到一个脉冲中，在信道中容易受到干扰。当Charlie宣布一个脉冲被点击(用绿色箭头表示)时，Alice和Bob可以得到一个密钥位。在模式匹配MDI QKD中，Alice和Bob将信息编码到一个脉冲中，并根据检测结果对点击脉冲进行匹配。他们可以从任意两个成对的成功检测中提取一个关键位，表示为红色箭头，对信道干扰具有稳健性。

通过采用两个现成的激光器，研究人员实现了这种高性能的MDI QKD，无需全局锁相。为此，研究人员对原有的MP QKD协议进行了调整，引入相位参考估计技术来处理两个独立激光器的频率波动。结果表明，与传统的MDI QKD方案相比，研究人员的实验实现了二次密钥率的改善。

实验装置如图2所示。Alice和Bob使用现成的连续波激光器(ORION 1550 nm激光模块)，其线宽为2 kHz，中心波长为1550.12 nm。强度调制器以625 MHz的频率将发射的光切割成宽度为400 ps的脉冲。然后，通过两个Sagnac环和三个相位调制器对不同强度和相位的脉冲进行密钥和编码。然后，脉冲被电可变光衰减器衰减到单光子水平，并传输给Charlie进行干扰检测。

图2所示：实验设置。Alice和Bob的设置是相同的，但它们的编码调制是独立的。连续波激光通过强度调制器(IM)切割成离散脉冲。然后在两个Sagnac环(SR1, SR2)的帮助下，这些脉冲被随机调制成四种强度中的一种——强脉冲、信号脉冲、诱饵脉冲和真空脉冲。三个相位调制器(PM1, PM2, PM3)用于相位编码和有源相位随机化。编码脉冲被电可变光衰减器(EVOA)衰减到单光子水平，并传输给Charlie。在干涉测量之前，脉冲偏振由电偏振控制器(EPC)和偏振分束器(PBS)对准。最后，利用超导纳米线单光子探测器(SNSPDs)对信号进行检测。SNSPD1和SNSPD2用于干扰检测，SNSPD3和SNSPD4用于极化反馈和到达时间反馈。注意，研究人员在设置中不执行任何锁相操作。

研究人员考虑了城际和城际量子网络场景下的实验设置。对于城际网络，Alice到测量站点之间的损耗预算约为10db(20db)，对应于对称信道下Alice到Bob的光纤长度为100km (200km)。与传统的测量设备无关的协议相比，成码率明显提升。对于更远的距离，研究人员还通过304公里商用光纤和407公里超低损耗光纤将关键速率性能提高了3个数量级。

图3所示：关键率的性能。MP QKD的实验速率-距离性能，与理论模拟进行了比较，以及现有的双模MDI QKD实验结果和线性关键速率界。红色和蓝色星标记的数据点分别是研究人员系统使用商用光纤和超低损耗(ULL)光纤的关键速率。研究人员还根据实验数据计算了304 km情况下的渐近关键率，用空心红星标记。

研究表明，模式匹配量子密钥分发在不需激光器锁频锁相的条件下可以实现远距离安全成码且在城域距离有较高成码率，极大地降低了协议实现难度，对未来量子通信网络构建具有重要意义。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.030801#fulltext