与测量设备无关的量子密钥分发的实验实现
在爱丽丝(鲍勃)的现场,简化的发射器包含一个激光源和一个编码器。编码器调制光脉冲的相位。应监测编码器的调制信息,以表征理想脉冲和实际脉冲之间的偏差。如果不受信任的查理是诚实的,他会使用干扰测量来测量接收到的信号。图片来源:中国科学出版社
近日,陈增兵教授和尹华磊副教授(南京大学固体微结构国家实验室、物理学院、先进微结构协同创新中心)课题组与北京凝聚态物理国家实验室、中国科学院物理研究所等院所合作,提出了一种四相测量-器件无关型量子密钥分发(QKD)协议和 实施原理验证实验以证明可行性。
该研究保证了协议的安全性,以防止任意源缺陷和探测器的所有攻击。它还在实验实施中用可测量的参数表征了源缺陷。实验结果表明,当信道损耗为20 dB时,安全密钥速率可以达到0.25 kbps。
在信道损耗为10 dB(约50公里光纤)的情况下,安全密钥速率可以达到91 kbps,可以满足语音通话的一次性平板加密要求。与以往考虑不完善源的测量无关QKD协议相比,本研究显著提高了安全密钥速率和传输距离,证明了在设备缺陷的安全QKD的实际部署中具有巨大的应用潜力。
研究结果发表在 《科学通报》 上。
与传统密钥分发相比,QKD 使两个远程参与者能够共享安全密钥位,用于秘密通信的加密和解密。QKD与一次性垫算法一起,为基于量子力学定律的信息交换提供了理论安全性。然而,对于QKD系统的实际操作,由于理论安全假设与实际设备之间的差异,仍然存在严重的安全漏洞。
确切地说,QKD的安全证明是在系统设备上建立假设的,由于固有的缺陷和窃听者的干扰,对于现实设备来说,这是无法满足的。这种偏差会导致更多的信息泄露给窃听者,这是用户无法注意到的。为了缩小差异并进一步加强对器件缺陷的安全性,提出了与器件无关的QKD和与测量器件无关的QKD。
与设备无关的 QKD 通过测量贝尔不等式的违反来保证 QKD 的无条件安全性,而无需对设备进行任何假设。最近,国际研究人员已经实现了与设备无关的QKD的原理验证实验,研究分别发表在 《自然 》和 《物理评论快报 》上。
然而,与器件无关的QKD的实验实现仍然存在传输距离短的问题,远未在长距离传输中实现。与测量设备无关的QKD协议可以通过引入不受信任的中间节点进行干扰测量,成功弥补探测器的所有漏洞。
与设备无关的QKD协议相比,与测量设备无关的QKD协议不需要对安全密钥速率更高、传输距离更长的中间节点做出任何假设。
例如,目前测量设备无关QKD协议的世界纪录是尹华磊等人实现的404 km双光子干涉测量器件独立QKD,以及王爽等人实现的833 km单光子干涉双场QKD。与测量设备无关的QKD协议被认为是具有实用安全性和效率的最佳选择。因此,解决与测量设备无关的QKD协议中的源缺陷非常重要。
QKD协议主要存在状态准备缺陷、模式依赖引起的侧信道、木马攻击和脉冲相关性等4种源缺陷。为了解决上述源缺陷造成的漏洞,该研究采用了最近提出的参考技术方法,对所引用的源缺陷进行了充分表征,并证明了四相测量设备无关QKD协议的安全性。
此外,该研究还测量了表征源缺陷的参数,并对协议进行了有限密钥分析,以帮助在实验中生成安全密钥速率。
此外,该研究还进行了原理验证实验,以证明该方案的可行性。实验利用Sagnac环路自动稳定通道的相位波动,所有光纤都保持极化。
更多信息: 顾杰等,实验测量-与器件无关型量子密钥分布,有缺陷和相关来源, 科学通报 (2022).DOI: 10.1016/j.scib.2022.10.010
期刊信息: 物理评论快报,自然
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