量子密鑰分發(fā)基于量子力學(xué)基本原理，可以實(shí)現(xiàn)理論上無(wú)條件安全的保密通信，因此一直是學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。近日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校潘建偉、陳騰云等與清華大學(xué)馬雄峰合作，首次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了模式匹配量子密鑰分發(fā)。

模式匹配量子密鑰分發(fā)協(xié)議示意圖

模式匹配量子密鑰分發(fā)協(xié)議是清華大學(xué)馬雄峰研究組于2022年提出的一種新型測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議，相較于原始的測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)協(xié)議，它可以很大程度提高成碼率；相較于雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議和相位匹配協(xié)議，它無(wú)需復(fù)雜的激光器鎖頻鎖相技術(shù)，節(jié)省成本且降低了實(shí)際應(yīng)用難度，同時(shí)對(duì)環(huán)境噪聲有更好的抗干擾能力。

【資料圖】

潘建偉、陳騰云研究組基于清華大學(xué)馬雄峰研究組提出的模式匹配量子密鑰分發(fā)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)光纖百公里級(jí)、兩百公里級(jí)、三百公里級(jí)以及超低損光纖四百公里級(jí)的安全成碼，相較于之前的原始測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)量子密碼實(shí)驗(yàn)，成碼率有明顯提升，并且在300km和400km距離上較之前實(shí)驗(yàn)成碼率提升了3個(gè)數(shù)量級(jí)。

研究成果表明，模式匹配量子密鑰分發(fā)在不需激光器鎖頻鎖相技術(shù)的條件下，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離安全成碼且在城域距離有較高成碼率，極大地降低了協(xié)議實(shí)現(xiàn)難度，對(duì)未來(lái)量子通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建具有重要意義。

那么，什么是量子通信？量子密鑰在量子通信中起著何種作用？

量子通信是把傳統(tǒng)通信的物理量換成量子力學(xué)領(lǐng)域里獨(dú)有的量子態(tài)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的韓正甫教授表示，量子態(tài)不是常規(guī)的物理量，典型特征是測(cè)不準(zhǔn)，量子態(tài)每被測(cè)量一次都會(huì)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致測(cè)量出來(lái)的結(jié)果不盡相同，無(wú)法確保得到的結(jié)果是我們想要的結(jié)果，但是合法的兩個(gè)通信者能夠通過(guò)協(xié)議得到確定的信息，因此利用量子態(tài)來(lái)代表信息可以有效防止信息被竊聽(tīng)。

量子密鑰正是量子通信中保證通信過(guò)程不被人竊聽(tīng)的核心。

量子密鑰是一組隨機(jī)數(shù)。通信的雙方會(huì)共享一組一樣的量子密鑰。之后用隨機(jī)數(shù)跟通訊內(nèi)容做一個(gè)變換，使通訊內(nèi)容成為亂數(shù)。合法的通信者事先已經(jīng)共享了密鑰，因此合法接收者收到亂數(shù)之后可以利用密鑰做反向變化，將信息從亂數(shù)中提取出來(lái)。而竊聽(tīng)者由于沒(méi)有密鑰，得到的只是一堆亂數(shù)，無(wú)法獲得有效信息。

可以說(shuō)，量子密鑰分發(fā)的發(fā)展史幾乎也就是量子通信的發(fā)展史。在已經(jīng)成熟的經(jīng)典光纖通信技術(shù)的支持下，基于光纖傳輸?shù)牧孔油ㄐ虐l(fā)展尤為迅猛。

1993年，日內(nèi)瓦大學(xué)首次完成了基于偏振態(tài)編碼的光纖量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，傳輸距離為1km，隨后在1995年將這個(gè)距離提高到了23km。

2006年夏，我國(guó)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉小組、美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、歐洲慕尼黑大學(xué)-維也納大學(xué)聯(lián)合研究小組各自獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了誘騙態(tài)方案，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)100km的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，由此打開(kāi)了量子通信走向應(yīng)用的大門。

近些年，從發(fā)射世界首顆量子衛(wèi)星“墨子號(hào)”、開(kāi)通世界首條量子保密通信干線“京滬干線”、到量子密鑰分發(fā)距離的不斷增加，我國(guó)量子通信技術(shù)始終處于世界前列。

2020年，繼首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了遠(yuǎn)距離雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)可行性，在300km真實(shí)環(huán)境的光纖中實(shí)現(xiàn)了雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)后，濟(jì)南量子技術(shù)研究院王向斌教授、劉洋研究員與中國(guó)科技大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)再次合作，實(shí)現(xiàn)了509km真實(shí)環(huán)境光纖的雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)（TF-QKD）。

2022年，《自然·光子學(xué)》在線發(fā)表了來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的一項(xiàng)研究成果。中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)的韓正甫教授及其合作者，實(shí)現(xiàn)了833km光纖量子密鑰分發(fā)，將量子密鑰分發(fā)安全傳輸距離世界紀(jì)錄提升了超200km，向?qū)崿F(xiàn)千公里陸基量子保密通信邁出重要一步。

實(shí)際上，量子保密通信的重點(diǎn)不在于“量子”，而在于“保密”。

從國(guó)家層面來(lái)說(shuō)，量子保密通信技術(shù)的發(fā)展可以提高國(guó)家的信息安全水平。但量子通信技術(shù)目前在民間并沒(méi)有大范圍普及應(yīng)用。全國(guó)性的量子通信網(wǎng)絡(luò)尚未建立，相關(guān)的消費(fèi)成本也十分高昂，無(wú)法提供人對(duì)人的產(chǎn)品和服務(wù)。量子通信技術(shù)出現(xiàn)后如何應(yīng)用于公民的日常生活，這一問(wèn)題目前還屬于探索階段，量子通信技術(shù)的日常應(yīng)用也尚未得到市場(chǎng)的完全加持。

韓正甫表示，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有許多廠家在生產(chǎn)量子通信的設(shè)備。雖然目前還沒(méi)達(dá)到全民普及量子通信技術(shù)的程度，但量子通信技術(shù)的儲(chǔ)備是必要的，未來(lái)若有機(jī)會(huì)大規(guī)模鋪展該技術(shù)，我國(guó)也能夠提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。

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