虞味, 周媛媛, 周学军

(海军工程大学电子工程学院, 湖北 武汉 430033)

0 引 言

量子密钥分配(Quantum key distribution,QKD)[1]是量子保密通信的核心环节,其安全传输距离和密钥生成效率一直是决定量子保密网络组网方式和应用范围的关键因素。因此,研究人员一直在探索能提升QKD 传输性能的方案,其中改善密钥生成效率R和信道传输效率η 之间的关系就是一个重要途径。

在较早提出的QKD 协议当中,由于缺少理想单光子源而导致光子数分离攻击[2]的威胁,密钥生成效率与信道传输效率之间的关系为R=O(η2)[3,4]。以采用弱相干态光源(Weak coherent source,WCS)的BB84 协议为例,其最大安全传输距离一般被限制在30 km 左右[5]。针对这一威胁,2003 年Hwang[6]提出诱骗态思想,并将其与标准BB84 协议相结合,使得量子密钥生成效率与信道传输效率的关系变为R=O(η)[3],基于WCS 的BB84 诱骗态方案的最大安全传输距离延长至140 km 左右,密钥生成效率也显著提升[7]。针对现实条件下测量器件的不完美性,Lo 等[8]于2012 年提出了测量设备无关(Measurement device independent,MDI)量子密钥分配协议。2016 年潘建伟小组开展的MDI 诱骗态方案实验将安全传输距离提升至404 km[9],MDI 协议采用双光子符合事件作为有效探测事件,也就是说接收方每产生一次用来成码的有效探测需要消耗两个光子,其安全密钥生成效率随信道传输效率衰减线性下降。学者们一度认为,基于当前技术条件下的QKD 方案难以突破R=O(η)的密钥容量(Secret key capacity,SKC)界限[10]。

通过不断研究,Lucamarini 等[11]于2018 年提出了双场(Twin field,TF)协议,协议的传输性能终于突破了密钥容量界限。本质上来讲该协议是利用单光子干涉后的探测作为有效探测事件的MDI 协议,仅需要单个探测器响应,而不需要MDI 协议的双光子符合事件的探测器同时响应[12]。……