Research | 西北大学曹正文团队报告了首个连续变量量子安全通信实验方案

来源：“Research科学研究”微信公众号

西北大学曹正文团队基于前期研究成果，搭建了首个基于高斯映射的连续变量量子安全直接通信（CV-QSDC）实验平台，验证了CV-QSDC协议的有效性，并提出了实际信道下基于参数估计的一种信号分级处理方法。相关成果以“Realization of Quantum Secure Direct Communication with Continuous Variable”为题发表在Research上（Research，2023 DOI: 10.34133/research.0193）。

Citation：

Cao Z, Lu Y, Chai G, Yu H, Liang K, Wang L. Realization of Quantum Secure Direct Communication with Continuous Variable. Research 2023;6:Article 0193.

https://doi.org/10.34133/research.0193

研究背景

量子安全直接通信（QSDC，Quantum secure direct communication）利用量子态编码和传输信息，实现可靠安全的通信。QSDC包括离散变量量子安全直接通信（DV-QSDC）和连续变量量子安全直接通信（CV-QSDC）两种方式。近年来，DV-QSDC在通信距离和安全密钥率方面取得了显著进展。然而，由于制备单光子困难、单光子探测器成本高及通信速率有限等问题，使其工程应用仍然存在一定难度。相比之下，CV-QSDC与光纤通信系统兼容性好，并具有光源制备简单、便捷检测和设备成本较低等优点，为量子通信网络的构建提供了新的形式。

通常在分析连续变量量子通信方案的安全传输距离和通信速率时，会假设透过率和过噪声等参数不变，而实际信道存在波动性；并且对检测到的不同质量信号采用相同的信息处理方法在一定程度上会影响CV-QSDC的系统性能。

研究进展

西北大学曹正文团队基于前期研究成果，搭建了首个基于高斯映射的连续变量量子安全直接通信（CV-QSDC）实验平台，提出了一种信号分级处理方法。实验验证了实际信道下所提出的CV-QSDC协议的有效性。

图a是实验装置示意图。其中包括了相干光源（CW）、调制器（AM2和PM）和零差检测器（Hom3和Hom4）等器件。系统重复频率为10MHz，产生的信号光保留在Alice处进行信息调制，检测光发送给Bob进行信道安全检测。

图a 实验装置示意图

实验结果（图b）验证了5公里信道下基于高斯映射的CV-QSDC协议中的数据相关性和参数估计的有效性。Alice和Bob之间的X正交分量相关性如左图所示，Alice和Bob变量的统计特征如右图所示。实验结果表明，收发两端的变量符合高斯分布。因此，上述实验说明了变量获取的合理性，为消息提取阶段提供了数据支持。

图b 数据分布与相关性

在CV量子通信系统中，参数估计在连接量子信息处理和消息提取过程上发挥着关键作用，参数估计结果能为实现通信双方数据的一致性提供参考。过去大多数研究在分析系统性能时往往假设相关参数在理论上是不变的。但实际信道下，对实验数据进行分析和参数估计的过程中，得到的透过率与过噪声参数的波动特性较为明显（图c）。

图c 透过率（左）与过噪声（右）的参数估计结果

与高质量信息块相比，低质量信息块受信道干扰和窃听干扰的影响更严重，因此从低质量信息块中安全地提取秘密消息更具挑战性。使用相同的协商方案处理不同质量信息块需要很大的成本和大量的纠错信息来增强协商效率。因此，基于不同质量信息块的分级协商是非常有必要的。基于上述原因，提出了一种基于实际信道下的信号分级处理方法（图d）。

图d 信号分级处理方法示意图

实验结果（图e）显示，在5km的传输距离下，过噪声为0.0035SNU（SNU为散粒噪声单位），且系统保密容量达到了4.08×105bps。此外，结果还证明了在考虑信道波动性的情况下，进行信号分级处理可提升系统性能。

图e 传输距离与安全容量的关系曲线

未来展望

本文为CV-QSDC的实现提供了一种可行方案，所提出的信号分级处理方法有利于提高系统性能。该实验方案的提出将推动CV-QSDC的工程应用。CV-QSDC领域的不断进步也将为量子通信网络的建设提供新的发展机会。

作者简介

曹正文，西北大学信息科学与技术学院教授、博士生导师，教育部创新团队及陕西省重点科技创新团队成员，秦创原“量子安全赋能‘科学家+工程师’队伍”成员，中国通信学会量子通信专业委员会委员，陕西省量子通信产业协会理事。先后主持参与了国家自然科学基金、科技部国际科技合作项目、陕西省省重点研发计划项目，陕西省自然科学基金等多个项目。

柴庚，西北大学信息科学与技术学院青年教师，西安市科协2023年青年人才托举计划入选者，陕西省秦创原“量子安全赋能‘科学家+工程师’队伍”成员，陕西省量子通信产业协会会员。近年来主要围绕自由空间连续变量量子密钥分发、量子安全直接通信、量子信息处理开展了广泛的研究。先后参与了国家自然科学基金、科技部国际科技合作项目、陕西省重点研发计划项目、陕西省自然科学基金等多个项目。