中国科大实现“环境鲁棒型”测量设备无关量子密钥分配实验系统

中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室在测量设备无关量子密钥分配研究方面取得进展，实验室量子密码研究组的银振强、王双、韩正甫、陈巍等在国际上首次实现“环境鲁棒型”测量设备无关量子密钥分配 (MDI-QKD) 实验系统，利用扰偏装置，消除了实地信道偏振扰动的影响，解决了MDI-QKD系统在复杂环境下的实用化问题，增强了系统的实际安全性与运行效率。研究成果发表在Optica上。

MDI-QKD是加拿大H. K. Lo研究组2012年提出的新型量子密钥分配协议。它利用时间反演的纠缠分发方案，将测量端看成一个黑盒子，避免了对测量设备提出的可信要求，从而免疫了所有针对测量端的攻击，提高了量子密钥分配系统的实际安全性。在该协议中，异地全同光子的高效干涉是保障其有效稳定运行的重要前提，其要求通信双方发送的光子脉冲在波长、时间以及偏振状态等自由度均不可区分，并且量子态编解码的参考基准需保持一致。这些要求是目前MDI-QKD系统在复杂环境下实用化需要解决的关键技术难题。

2015年，韩正甫研究组实现了无需编解码参考系校准的测量设备无关量子密钥分配实验系统[Phys. Rev. Lett. 115, 160502 (2015)]，有效消除了环境干扰对编解码空间的影响，避免了通信者之间编解码参考系校准过程引入的系统开销和安全隐患，有效提升了MDI-QKD在复杂设备环境下的可用性。

MDI-QKD对实地信道的偏振敏感特性仍然是制约该协议在实际复杂环境中实用化的关键因素。为解决该问题，韩正甫研究组通过改进参考系无关MDI-QKD系统，在发送端增加扰偏装置，在测量端采用偏振态分离探测结构，设计并实验验证了“环境鲁棒型”MDI-QKD方案。通过摒弃MDI-QKD协议执行中的主要参考系校准过程，该方案不仅能够消除设备端和信道环境扰动对系统性能产生的影响，保障系统在复杂实地条件以及多用户网络环境下的鲁棒性，而且有效避免了参考系校准过程引入的潜在安全性漏洞，并进一步降低了在实际使用环境下的资源消耗，极大提高了MDI-QKD多节点网络的部署效率，对量子密钥分配技术的实用化发展具有重要参考价值。

该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和教育部的资助。