我校量子信息技術研究所的王琴教授團隊近期在高性能量子密碼系統方向取得了一系列重要的研究進展，其中包括：提出更實用的雙場協議的源端安全性刻畫方法，實現傳輸效率最高的雙場實驗，提出更高效的測量設備無關量子密鑰分發方案，以及實現當前最遠傳輸距離的測量設備無關量子密鑰分發實驗。
量子密鑰分發的安全性由量子力學基本原理所保證，而且它結合一次一密的方法原則上能夠實現無條件安全的通信，因而吸引了世界各國研究者的關注。自1984年第一個BB84協議提出以來，量子密鑰分發已經有近四十年的發展曆史，目前正在朝着更安全、更實用的方向發展。雙場協議和測量設備無關協議可以免疫所有針對測量端的攻擊，因而成為當前安全性最高的兩種實用化量子密鑰分發協議，也是當前國際、國内本領域關注的焦點。以上兩種協議各有優缺點，其中雙場協議具有傳輸距離遠、密鑰率高等優點，但是它的源端安全性仍沒有得到妥善解決，另外還存在穩定性差、傳輸效率低等缺點；測量設備無關協議具有穩定性好、技術門檻低等優點，但仍存在傳輸距離近，密鑰率低等缺點。針對以上問題，王琴教授團隊開展了相關理論與實驗研究，并取得一系列重要突破。
工作一：該團隊提出了一種使用Hong- Ou-Mandel幹涉可見度來刻畫雙場協議源端安全性的方法，并結合可區分誘騙态分析方法來保障雙場協議的現實安全性。現有刻畫源端安全性的方法大多要求對每一個器件單獨使用一個參數進行刻畫，導緻實驗的工作量和複雜度增加。王琴教授團隊首次利用Hong- Ou-Mandel幹涉可見度來刻畫雙場系統中編碼态與參考态的差異，使得隻需一個參數就能準确刻畫該系統光源安全性大小，降低了實驗難度和複雜度，為實現更安全實用的雙場系統打下基礎。
圖一、基于HOM幹涉的刻畫TF QKD光源安全性方案示意圖
工作二：針對雙場系統中相位快速漂移的問題，該團隊提出了高效的穩定控制機制，通過機器學習對相位漂移大小進行預測和主動反饋補償，還專門設計了具有時間感知能力的序列-序列長短期記憶神經網絡，将全局相位的預測計算過程控制在納秒級别，将500公裡光纖距離下雙場系統的有效傳輸占空比由原有的50%左右提升至87.5%，達到當前國際雙場協議的最高傳輸率，極大提高了雙場系統在城際量子密碼網絡中的可用性。
圖二、雙場協議的高效穩定控制實驗示意圖
工作三：針對現有測量設備無關協議存在傳輸距離有限、密鑰率低等缺點，該團隊提出了改進的偏選基五強度誘騙态測量設備無關協議，通過使用Vandermonde矩陣和McDiarmid不等式有效降低統計漲落，并且結合自研的實驗系統實現了442公裡的安全傳輸距離，創造了該類協議新的世界記錄。
圖三、遠距離測量設備無關協議理論和實驗數據對比圖
工作四：為了進一步提升測量設備無關協議的安全傳輸距離和密鑰率，該團隊提出了基于全光量子存儲的測量設備無關量子密鑰分發方案，同時結合實用化的誘騙态方案進一步提升了測量設備無關協議的安全碼率和傳輸距離，為未來實現高性能量子通信組網奠定了基礎。
圖四、基于量子存儲的測量設備無關量子密鑰分發方案原理示意圖
以上工作均發表在本領域知名學術期刊上，其中工作一發表在《Physical ReviewApplied》上，工作二發表在《中國科學: 信息科學》上，工作三發表在《Physical Review A》上，工作四發表在《Physical ReviewResearch》上。
以上工作的第一作者分别為伟德官网下app官方网站博士研究生孫銘爍（工作一和工作四）和劉靖陽（工作二和工作三），量子信息技術研究所的王琴教授和張春輝副教授為主要通訊作者，曾桂根副教授和周星宇等老師也做出了重要貢獻。此項工作受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省重點研發計劃、江蘇省前沿引領計劃，以及江蘇省研究生科研實踐創新等項目的支持。
論文鍊接：
1.https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.5.043179
2. https://link.springer.com/article/10.1007/s11432-022-3619-0
3.https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.108.022605
4.https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.20.024029
（撰稿：孫銘爍 編輯：呂瑞蘭 審核：王琴、徐雷）