新型量子通信方案與實驗研究

《新型量子通信方案與實驗研究》是依託中國科學技術大學，由彭承志擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：新型量子通信方案與實驗研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：彭承志
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

本項目瞄準量子通信走向實用化過程中的重大需求，研究真實系統條件下量子通信無條件安全性的物理機理，開展新型量子通信方案與實驗研究。一方面以誘騙態方案為基礎，針對untrusted source、高誤碼率情況下成碼率過低等新問題展開研究，以改進理論方案和關鍵量子器件為研究手段，提高真實條件下誘騙態量子密鑰分發系統實用性能；另一方面以反事實等新型量子通信方案為研究對象，探索其物理實現方式，分析其在真實條件下的安全性與可實用性。通過對老方案的改進和新方案的實驗，加速量子通信的實用化，拓展其套用領域和前景，在實用化過程中和新的科研熱點上都取得國際領先成果。

結題摘要

量子密鑰分發以量子物理與信息學為基礎，被認為是安全性最高的加密方式。然而，儘管量子密鑰分發在理論上具有無條件安全性，但在現實條件下很難實現，導致現實的量子密鑰分發系統可能存在各種各樣的安全隱患。我們在實驗上利用與美國史丹福大學聯合開發的高效低噪聲上轉換單光子探測器，在國際上首次實現了測量器件無關的量子密鑰分發，成功解決了現實環境中單光子探測系統易被黑客攻擊的安全隱患，大大提高了現實量子密鑰分發系統的安全性。另外，該實驗系統兼顧採用誘騙態方案，同時保證了非理想光源系統的安全性。最終在50km光纖信道中我們獲得了25kbit的安全密鑰。該工作在實用化量子通信領域具有重要意義，被審稿人稱讚為“該領域的重要貢獻”。《物理評論快報》還以新聞發布的形式向科技界新聞媒體重點推介了該工作，包括美國的著名權威學術期刊《科學》雜誌，美國物理學會下屬《物理學觀點》欄目和英國的著名新聞刊物《經濟學人》在內的多家歐美科技新聞媒體都對此工作進行了專題報導。量子效應，除了能夠在一些經典任務展現出很大的優勢，還能夠以有趣的方式在遠程的參與者之間建立密鑰。我們所研究的這種新型的“反事實量子保密通信方案”只有在通信雙方無粒子傳輸的時候才能成碼，與以往的保密通信方案有很大的不同。我們在實驗上首次實現了這樣的方案，無論是在桌面平台實驗中還是在1km光纖的實驗中，相位穩定系統都使系統的干涉對比度在98%以上。我們的工作是這樣一個了不起的套用的直接演示，因此可以成為通過反事實揭示基礎物理學的一個關鍵模型。此外，我們在實驗上實現了基於糾纏的不等臂量子密鑰分發。實驗中實際使用的基矢偏置值為20:80，整個實驗在夜晚持續了近3個小時，獲得了4293 bit的安全密鑰，在考慮了有限碼長效應後，我們得到最終安全密鑰率為0.124 bit/raw key，相比標準BB84方案提升了14.8%。我們的實驗結果充分的說明高效BB84協定是一種非常簡潔和有效的提高安全碼成碼率的方法，對未來基於衛星的全球量子密鑰有著促進作用。