南京大学研究生论文
2012中，设备无关的量子密钥分发(MDIQKD)引入了一个不可信的中间节点来测量贝尔状态，可以封闭量子网络中所有的探针漏洞。由于其优异的实用安全性、易于在星型网络中部署以及成熟的通用技术，MDIQKD被认为是未来量子网络中重要而高效的架构模块。但MDIQKD需要两个光子同时到达中间节点才能干涉，其密钥速率受限于无中继量子信道的速率-距离，难以应用于实际的城际量子网络。
2018两场量子密钥分发(TFQKD)利用长距离单光子干涉，打破了无中继量子信道的码率-距离限制，大大提高了城际量子通信的安全密钥率。我国利用最先进的技术，实现了光纤传输830公里以上的TFQKD实验。然而，为了补偿长距离量子信道的快速相位漂移，实现长距离独立激光器的相位锁定，实验中必须使用复杂昂贵的相位锁定和跟踪技术，这大大增加了实验复杂度和商业成本，实施不严可能导致安全隐患。
因此，提出一种新的协议，能够同时集成TFQKD优秀的城际码率性能和MDIQKD成熟的通用技术，是一项艰巨而重要的任务。此外，量子密钥分发网络的普适限制理论指出，双光子干涉的双轨)MDIQKD协议不能打破无代表量子信道的速率-距离限制。
此次，受双重纠缠的启发，人工微结构科学与技术协同创新中心固体微结构物理国家重点实验室南京大学物理学院尹华雷、陈增兵通过后匹配的方法，巧妙地将同步时间编码转化为异步时间编码，设计了异步MDIQKD协议。
利用全同粒子的双重纠缠，团队在独立于同步时相编码的测量设备量子密钥分发中，对两个连续的时间盒进行解耦，并通过后匹配的方法提出了异步协议。而且利用通用的MDIQKD技术，通过经典的后处理对异步协议进行时间复用，从而构建双光子贝尔态，将城际传输的密钥速率提高了几个数量级，大大增加了传输距离，建立了MDIQKD和TFQKD之间的桥梁。相关结果最近发表在美国物理学会杂志《PRX量子》上。
在具体实验中，前述团队随机匹配与两个探测相位相关联的时间盒，建立异步双光子贝尔态，使得双光子干涉的双轨MDIQKD协议打破了无中继量子信道的速率-距离限制，使理论上的不可能成为可能。
此外，由于各时刻之间的相位噪声差在很短的时间间隔内近似相等，因此可以在不使用相位跟踪锁定技术的情况下对两个相位相关的时间盒进行后匹配，大大降低了实验难度。无论选择什么非对称源参数，每个用户单光子对的分量密度矩阵在时间和相位基矢上总是相同的，因此新协议适用于用户可以动态接入的量子网络，而无需考虑现有的用户源参数。
实验仿真结果表明，对于1 GHz(千兆赫)系统，在没有相位跟踪的情况下，上述协议的传输距离可以达到450公里；该协议在同时去除相位跟踪和锁定技术后，在有限密钥效应下，仍然可以在270公里的距离上打破无中继量子信道的速率-距离限制。在城际距离上，该协议的密钥速率比原MDIQKD协议提高了数万倍。比如传输300公里时密钥速率可以达到0.15 Mbit/s(兆比特每秒)，足以一次性完成包括音视频加密在内的各种任务。
同时，由于新协议不需要相位跟踪，其单光子探测器的所有探测和计数能力都可以用于量子信号测量，这使得在城际距离使用同频强参考光相位跟踪技术实现比TFQKD协议高一个数量级的密钥速率成为可能。
上述研究成果突破了“双轨”测量设备独立量子密钥分发的速率-距离限制，有助于大规模量子通信网络。评论者评论道，“这是一种连接测量设备无关和两场量子密钥分发的巧妙方法”，“这项工作为TFQKD系统的改进提供了重要的建议”。
论文* * *第一作者为南京大学物理学院研究生谢、陆，通讯作者为南京大学副教授尹华雷、教授陈增兵。研究工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费、南京江北新区R&D计划重点项目的支持。
校对:张燕