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我国首次实现脉冲数最小、安全距离最长新型量子密钥

记者 3 日从中国科技大学获悉,该校郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室,在国际上首次实现了分组脉冲数最小、安全距离最长的 RRDPS 协议,解决了该协议在实际信道条件下分组脉冲数过多、效率偏低的问题。成果发表在 1 月 31 日的国际权威学术期刊《自然通讯》上。

  RRDPS 是日本和美国科学家 2014 年提出的新型量子密钥分发协议。由于该协议无需监测信号扰动参数,即可实现对窃听者信息量的估计。在实际应用中,其免信道扰动监测带来了系统简化、误码率容忍高的优势,因此引起了学术界浓厚兴趣。然而该协议仍旧存在安全性证明的计算较为粗糙,还不能定量描述窃听者攻击行为、系统误码率和信息泄露的内在关系;实验上实现有效测量的装置较复杂,从而限制了该协议的实用化。

  为此,科研人员首先在理论上完善了 RRDPS 协议的安全性证明。通过构造窃听者的一般 collective 攻击模型,并充分考虑编码态各个脉冲上随机相位对窃听者辅助态造成的退相干效果,给出了窃听者对密钥信息的紧凑界。这一新颖的安全性证明在物理上理清了 RRDPS 协议的安全性机制,显著地提升了 RRDPS 的性能,并为其他高维 QKD 协议的安全性证明给出了新的思路。仿真计算表明, RRDPS 协议的密钥率和安全距离等关键指标都有了显著的提高,且其所需的脉冲分组数 L 相对于原始协议大大减少。实验在 30km 光纤信道上实现了免误码检测的密钥分发;如果结合信道扰动参数,安全距离则可以达到 140km。

  该成果对于丰富高维量子密钥分发的安全性分析理论和方法,提升系统的实用性有着重要价值。