該團隊成員(yuán)陳巍、銀振強、王雙、韓正甫等首先在理論上提出了免相位後選擇的孿生(shēng)場量子密鑰分(fēn)發(QKD)協議，該協議顯著降低了孿生(shēng)場類協議的實現難度。基于這一(yī)協議，該研究組突破了孿生(shēng)光場制備和長距離(lí)光纖信道相位補償兩項技術，在300公裏光纖上，首次完成了不受無中(zhōng)繼QKD協議密鑰生(shēng)成率上界（線性界）限制的高密鑰生(shēng)成率實驗，爲無中(zhōng)繼長距離(lí)城際量子密鑰分(fēn)配網絡邁出了關鍵的一(yī)步。

量子秘鑰确保通信安全

   QKD利用量子力學原理，爲異地通信雙方協商(shāng)出信息論安全的密鑰，從而使得無條件安全的保密通信成爲可能，受到了學術界和産業界的廣泛關注。然而，實際QKD系統受信道損耗的制約，其密鑰生(shēng)成率随着信道長度的增加而顯著降低。量子密碼理論學家們證明，任何無中(zhōng)繼的QKD協議其密鑰生(shēng)成率都不能突破線性界(Nat. Commun. 8, 15043, 2017)，即密鑰生(shēng)成率随着信道傳輸效率的下(xià)降線性減小(xiǎo)。2018年5月，英國東芝劍橋研究所的科學家提出了孿生(shēng)場(TF) QKD協議(Nature 557, 400, 2018)，該協議基于相幹态直接幹涉，利用單光子響應就可以産生(shēng)密鑰，其密鑰生(shēng)成率随着信道效率平方根下(xià)降而減小(xiǎo)，在長距離(lí)信道情況下(xià)其密鑰生(shēng)成率有顯著優勢，且其安全性是測量設備無關的。

量子計算編碼内核

   上述協議的編碼模式必須進行相位随機化和後選擇，這兩項要求顯著降低了系統密鑰率，增加了實現的複雜(zá)度。韓正甫研究組經過深入研究，提出了一(yī)種新型TF-QKD協議，并給出了完備的安全性證明。新協議的編碼模式不需要進行相位随機化和後選擇，在顯著提升了協議效率的同時還降低實現的複雜(zá)度，并且可以在更短的信道距離(lí)下(xià)突破線性界，密鑰生(shēng)成率得以顯著提高。研究組首先在基于光學鎖相環和反饋控制方案上取得突破，實現了兩台獨立激光器之間的穩定一(yī)階幹涉，解決了相幹光場制備的技術難題。接着，研究組又(yòu)設計并實現了遠程光纖信道快速相位補償控制技術，得到了臂長150公裏的一(yī)階光學幹涉。最終，研究組在300公裏光纖信道上實現了TF-QKD原理驗證系統，其密鑰生(shēng)成率達到了2kbps，突破了線性界。這一(yī)密鑰率約爲線性界的3倍。

光纖通信數據流

   該工(gōng)作驗證了在無中(zhōng)繼條件下(xià)，遠距離(lí)、跨城際高密鑰率傳輸和組網的可行性，在量子中(zhōng)繼短期難以實用的情況下(xià)，TF-QKD協議可望在大(dà)範圍、遠距離(lí)量子保密通信網絡應用方面取得突破。

   該協議理論文章的第一(yī)作者爲中(zhōng)科大(dà)本科生(shēng)崔超涵，通信作者爲銀振強教授和王雙教授；實驗論文的共同第一(yī)作者是王雙教授和何德勇實驗師，通信作者爲銀振強教授和陳巍副教授。該工(gōng)作得到了科技部、國家自然科學基金委、中(zhōng)科院和安徽省的資(zī)助。