作者：林海，转载自“墨子沙龙”
人类是社会性的动物，彼此间信息的分享是亘古不变的主题，战争时期，我们需要烽火台和驿站传递战报；和平时期，我们要需要鸿雁传书。只要人类社会一直存在，我们就会一直需要告诉远方的人们，那些藏在心里的秘密。说到秘密的传递，就不得不说起量子通信——这一理论上无条件安全的通信方式。量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）是量子通信的主要方式之一。QKD是将经典“0”、“1”比特信息随机地加载在单光子量子态上进行传输，并利用未知量子态不可克隆原理保证传输过程无条件安全，以实现通信双方共享安全的随机密钥。罗马不是一天建成的，为了量子密钥分发这种技术能更好地为我们信息安全保驾护航，科学家们开始了艰苦卓绝的长途跋涉。QKD诞生于1984年波多黎各的一个泳池，当时一个叫做Brassard的物理学家和一个叫做Bennett的人在游泳的时候构思好了一篇创造性的文章，他们将构思出来的量子密钥分发协议发表在一个会议公报中，并命名为BB84协议。在这套协议里，量子密钥在Alice和Bob间进行分发，它的安全性是由量子力学基本原理——量子不可克隆原理来保证的，理论上无条件安全。QKD是一个有着无限潜能的“婴儿”，物理学上的无条件安全预示着它光明的未来。但任何人的成长之路上都会面临自身和环境带来的各种挑战，QKD也是这样。我们说QKD是无条件安全的，是说，根据量子力学的基本原理，只要实验条件理想，无论窃听者掌握何种技术和计算能力，它都是安全的。但实际上，各种实验条件不可能在技术诞生之初就十分完美，据说，世界上第一个BB84演示实验，不仅通信距离只有短短30厘米，更无奈的是，仅用耳朵都能听得出编码方式的不同。这个例子说明两个问题，第一，现实器件不完美会导致安全性的漏洞；第二，QKD想要实用化，在真实环境中传输的距离也需要更远，要实现可实际运用的成码率，否则，30cm的成码距离对于实际通信来说没有什么意义。为了实现QKD在真实环境中的实用化，让它走进千家万户服务我们的生活，物理学家们在理论和技术上都进行了深入的探究，并取得了卓有成效的进展。中国科大团队最近的成果就是其中的一项重要工作。在填补漏洞方面，QKD集中了各国科学家的智慧。他们假想了潜在的攻击者可能采取的各种招数，并一一化解。比如，针对光源的漏洞导致的光子数分离（photon-number splitting）的攻击，诱骗态量子密钥分发方案可以有效抵御；针对探测器漏洞，测量设备无关的QKD（measurement-device-independent QKD, 简称MDIQKD）协议可以很好地关闭测量端的所有漏洞。经过多年努力，QKD的漏洞问题基本解决。与此同时，科学家一直关注的另一个问题是，如何增加安全通信距离、提高安全成码率。也就是说，在更远的距离、以更高效率的进行密钥安全共享，将QKD真正应用到实际中。对于现代光通信来说，光纤信道是主要方式。而对于地面上的光纤传输来说，一个不容回避的问题就是损耗，如果是经典通信，损耗的问题很好解决，可以在通信链路中加入中继放大器，对衰减后的信号进行放大。然而，对量子通信，这个办法行不通，因为量子力学的不可克隆定律严格禁止了量子态的克隆和放大。那么怎么办呢？增加中继站、扩展QKD的成码极限，是两种主要的思路。所谓中继，就是针对量子态随距离的衰减问题，将长程的纠缠分发任务分解为多段短程的纠缠分发，以达到扩展距离的目的。中继站分为可信中继和量子中继。所谓可信中继，就是中继站重点防守、保证可信，由这个站点分别与两边进行QKD，然后将两边的密钥进行共享；而量子中继，则是利用纠缠交换，连接两边，令直接传输的指数损耗转变为可以容忍的多项式量级的损耗，由于量子中继站点本身并不知道具体的解编码信息，所以即使被攻占，也不用担心信息被窃取。对于量子中继来说，量子存储器是纠缠交换操作所必须的同步装置，实用化的量子存储器还在研究中；而可信中继，无疑要耗费不小的人力物力，对于长距离通信来说，如果建立太多可信中继，花费的代价可能是非常不经济的。所以，第二种思路——扩展QKD的成码极限就成了科学家必须要攻下的山头。对于传统的MDIQKD来说，一直有一个问题萦绕在科学家的心中，这就是线性成码极限。传统MDIQKD的过程，就是Alice 和Bob 将光子发送给中间第三方Charlie，然后再将两个光子进行干涉。这样看来，Charlie必须要对两个光子做符合测量，任何一方不到场都不行。这样的成码要求，其安全成码率随着信道衰减线性下降，因此就存在一个理论上的线性成码极限。在现实设备上，随着距离越来越长，信号衰减越来越大，信噪比越来越差，测到双光子符合的概率越来越低，测到的噪声占比越来越高，最后，剔除噪声引起的错误后就没法成码了。既然理论上的线性成码极限无法突破，那我们干脆换一种与传统MDIQKD不同的新方法，突破这个极限。如果能设计一种只要一方到场就可以成码的方法，那成码率就可以提高。那么，如何设计这样一个“只需一方到场”的方案呢？量子事，量子决。这次，量子力学又要大显神功啦，这次用到的是令无数物理学家困惑的单光子干涉现象。我们回忆一下，我们刚开始学习量子力学的时候，就学习过一个最代表量子力学特点的实验——双缝干涉实验。双缝干涉显示了很多经典理论无法解释的神奇之处，单光子干涉现象就是其中之一。将入射光束强度降得很低很低，使得每次只发出一个光子，经过时间的累积，屏幕上依然出现了干涉条纹。这说明，哪怕只有一个光子，都可以同时通过两个狭缝，自己与自己发生干涉。科学家设计的这个新的QKD方案，就是利用了这样的性质。这个方案叫做双场量子密钥分发，所谓双场，就是说Alice和Bob两边的光源像双胞胎一样，是相位相干的，类似于同一个激光器发出的两束激光，Alice和Bob共享一个单光子和真空态的纠缠，并随机的将手里的单光子或真空态发送给Charlie进行干涉。而对于接收方Charlie来说，产生一次有效成码只需要探测到一个光子就可以，相比传统MDIQKD，所需消耗的光子少了一半，而且这个光子只走过了单边信道，距离也比传统MDIQKD少了一半，所以安全成码率不再随信道衰减线性下降，而是随信道衰减的平方根下降，这样，双场量子密钥分发较传统MDIQKD更能容忍信道损耗，能够成码的安全距离更远，并且在长距离传输情形下，具有更高的成码率，理论上可以轻松突破MDIQKD的成码率线性极限。而且，双场QKD也是测量设备无关的，安全性上与传统MDIQKD相同，并没有因为成码率牺牲安全性。双场QKD虽然听起来很美好，实现起来却也困难重重。最难的点莫过于，两边的光源相位差必须保持高度稳定。这就要求，两个距离遥远的激光器波长必须严格一致，不能因为波长不同产生相位差；其次，在光子长途跋涉的过程中，会因为各种原因产生相位的漂移，我们要能准确估计这个相位漂移，并且要在单光子干涉的时候，把这部分漂移刨个干净。2019年的时候，潘建伟、张强实验小组基于王向斌教授提出的基于“发送-不发送”的双场量子密钥分发协议，通过时频传输技术实现Alice和Bob光源的相位锁定，并在Alice和Bob端利用时分复用的方式将量子信号和参考相位脉冲信号（一段时间发送量子信号脉冲，一段时间发送参考信号脉冲）发送给Charlie进行干涉。最终在实验室中300公里的真实光纤里实现了双场量子密钥分发方案的实验验证，相应的密钥生成率达到2016年实验的50倍，并打破了传统无中继QKD方案的成码率线性极限，证实了双场QKD的可行性证明该方案具有远距离、高成码率等性能，非常适合在城际量子密钥分发主干链路使用。该工作被《物理评论快报》（Physical Review Letters）选为“编辑推荐”论文，审稿人评论为“实用双场量子密钥分发的重要里程碑”，还被美国物理学会的Physics杂志进行了专题亮点报道。当年，这项成果还入选由《科技日报》联合两院院士评选出的年度国内十大科技新闻。可不可以让成码距离更长呢？在实现双场QKD这一技术的验证后，潘建伟、张强实验小组决定实现更大的突破——500公里真实光纤的无中继QKD。经过不懈的努力，2020年4月该实验小组于实验室内在509公里的真实光纤距离下，实现了双场QKD，相应的成码率打破了传统无中继QKD线性成码的绝对极限——即采用探测器效率100%，暗计数为0时的成码极限。这在当时创下了量子密钥分发最远传输距离新的世界纪录，同样被《物理评论快报》选为“编辑推荐”文章。在实验室将双场QKD突破500公里后，剩下的问题就是——这种新颖的技术是不是真的适用于现场苛刻的环境。经过一年的周密计划和前期测试，潘建伟、张强实验小组最终选择了济南和青岛两个城市之间的现场光缆——“济青干线”来验证双场QKD的可实现性，两个城市的直线距离大于三百公里，做到了真正空间距离上的分隔。
现场环境里如此大跨度距离下实施双场QKD，比实验室里要难上许多。现实环境纷繁复杂，光纤穿过江河湖海、人声鼎沸，经历日落月升、昼夜交替，噪声、温差都是不可能被完全隔离的。首先，温差就是个大麻烦。Alice和Bob发送的单光子脉冲像一对相亲的男女，需要在Charlie这儿“踩着点儿相遇”——即脉冲重叠，并且要“有共同语言”——两边发送的脉冲偏振需要一致，才能“擦出爱的火花”——实现高质量的单光子干涉。但这对男女一路奔波，现场环境日夜温差会影响光纤长度及偏振，据估计，由于昼夜温度起伏引起的热胀冷缩效应，现场光缆的长度和偏振变化速率比实验室光纤快两到三个数量级，这导致两边发送的脉冲到达Charlie后干涉质量很难完美。而且，现场环境里温度振动等因素还会降低激光器的相位稳定性，远距离下实现两边光源相位精密锁定也十分不易。
其次，这场相亲还有其他闲杂人等来干扰——现场光缆中不同光纤承载着各种不同的经典业务，经典业务都采用强光进行传输，光纤的隔离度有限，经典业务的“泄露”作为一种附加噪声串扰进入量子信道，甚至比单光子探测器的本底噪声高两个数量级以上。
再次，相亲之路太过漫长啦——现场光缆的损耗要高于实验室光纤，即使对现场光缆的各个连接点进行优化，损耗依然比实验室光纤高约10%。针对这些问题，该团队发展时频传输技术和激光注入锁定技术，将现场相隔几百公里的两个独立激光器的波长锁定为相同；再针对现场复杂的链路坏境，开发了光纤长度及偏振变化实时补偿系统；此外，对于现场光缆中其他业务的串扰，精心设计了QKD光源的波长，并通过窄带滤波将串扰噪声滤除。他们把Alice和Bob分别放在济南和青岛，把Charlie设在中间沂源市的马站镇，实现了511公里双场QKD。该工作成功创造了现场光纤无中继QKD最远距离新的世界纪录，在超过500公里的光纤成码率打破了传统无中继QKD所限定的成码率极限。对于城际之间的QKD来说，500公里成码率的提高有着重要意义，因为它是实现长距离光纤量子网络的重要一环，可以想象，如果在实际的复杂环境下，500公里的尺度都不需要中继的话，长距离光纤量子网络就会比较可行，安全性也会大大提高。接下来，科学家当然还会继续追求更好的成码率和成码距离，将双场QKD早日应用于实际的远距离量子通信网络。如果我们把视角再放大一些，光纤和卫星共同构成了天地一体化的量子保密通信网络。它们就像我们的民航、铁路交通网络一样，不同的信道相互配合，各司其职，一起用更高的成码率、最安全的通信方式服务于千家万户。原文链接：
https://mp.weixin.qq.com/s/m2hBsMGU9dQGkiMdh2Ujtw
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41566-021-00828-5
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.250502
科普园地