新型量子通信方案与实验研究

本项目瞄准量子通信走向实用化过程中的重大需求，研究真实系统条件下量子通信无条件安全性的物理机理，开展新型量子通信方案与实验研究。一方面以诱骗态方案为基础，针对untrusted source、高误码率情况下成码率过低等新问题展开研究，以改进理论方案和关键量子器件为研究手段，提高真实条件下诱骗态量子密钥分发系统实用性能；另一方面以"反事实"等新型量子通信方案为研究对象，探索其物理实现方式，分析其在真实条件下的安全性与可实用性。通过对"老"方案的改进和"新"方案的实验，加速量子通信的实用化，拓展其应用领域和前景，在实用化过程中和新的科研热点上都取得国际领先成果。

量子密钥分发以量子物理与信息学为基础，被认为是安全性最高的加密方式。然而，尽管量子密钥分发在理论上具有无条件安全性，但在现实条件下很难实现，导致现实的量子密钥分发系统可能存在各种各样的安全隐患。我们在实验上利用与美国斯坦福大学联合开发的高效低噪声上转换单光子探测器，在国际上首次实现了测量器件无关的量子密钥分发，成功解决了现实环境中单光子探测系统易被黑客攻击的安全隐患，大大提高了现实量子密钥分发系统的安全性。另外，该实验系统兼顾采用诱骗态方案，同时保证了非理想光源系统的安全性。最终在50km光纤信道中我们获得了25kbit的安全密钥。该工作在实用化量子通信领域具有重要意义，被审稿人称赞为“该领域的重要贡献”。《物理评论快报》还以新闻发布的形式向科技界新闻媒体重点推介了该工作，包括美国的著名权威学术期刊《科学》杂志，美国物理学会下属《物理学观点》栏目和英国的著名新闻刊物《经济学人》在内的多家欧美科技新闻媒体都对此工作进行了专题报道。量子效应，除了能够在一些经典任务展现出很大的优势，还能够以有趣的方式在远程的参与者之间建立密钥。我们所研究的这种新型的“反事实量子保密通信方案”只有在通信双方无粒子传输的时候才能成码，与以往的保密通信方案有很大的不同。我们在实验上首次实现了这样的方案，无论是在桌面平台实验中还是在1km光纤的实验中，相位稳定系统都使系统的干涉对比度在98%以上。我们的工作是这样一个了不起的应用的直接演示，因此可以成为通过反事实揭示基础物理学的一个关键模型。此外，我们在实验上实现了基于纠缠的不等臂量子密钥分发。实验中实际使用的基矢偏置值为20:80，整个实验在夜晚持续了近3个小时，获得了4293 bit的安全密钥，在考虑了有限码长效应后，我们得到最终安全密钥率为0.124 bit/raw key，相比标准BB84方案提升了14.8%。我们的实验结果充分的说明高效BB84协议是一种非常简洁和有效的提高安全码成码率的方法，对未来基于卫星的全球量子密钥有着促进作用。