按关键词阅读：
文章图片
文章图片
文章图片
中国科学技术大学潘建伟院士团队与合作者首次在自由空间通道上创建了长距离安全的MDI-QKD 。 他们的研究结果论文发表在《物理评论快报》上 ， 将为基于卫星的MDI-QKD实现铺平道路 。
MDI-QKD ， 全名为：Measurement-device-independent quantum key distribution ， 指与测量设备无关的量子密钥分发 。 量子密钥分发是一种使用部分基于量子力学的加密协议实现设备之间安全通信的技术 。 这种通信方法最终允许双方使用极为安全的密钥对彼此发送的消息进行加密和解密 。
与测量设备无关的量子密钥分发是一种独特的协议 ， 可促进创建更为安全的量子密钥分发网络 。 该协议可以实现更长距离的基于量子密钥分发的通信 ， 以及更可靠的网络验证 。
到目前为止 ， 仅使用光纤成功实现了与测量设备无关的量子密钥分发 ， 跨自由空间通道实施这样的协议具有很大的挑战性 。 主要原因是由大气湍流引起的幅度和相位波动使得难以在独立光子之间的空间、时序和光谱模式方面保持不可区分性 。
如图所示与测量设备无关的量子密钥分发实验在城市中的概念图 。 光镜位于高层建筑中 ， 用于传输编码的光子 。 传输通道中各处都存在的大气湍流是光子在检测终端中保持空间模式的主要挑战 。
由于大气湍流通常会破坏独立光子之间的空间模式 ， 因此与测量设备无关的量子密钥分发实现通常需要在应用干涉测量技术之前使用单模光纤来执行空间滤波 。 但是 ， 使用单模光纤耦合光子通常会导致较低的耦合效率和强度波动 。 为解决这个问题 ， 研究团队开发了一种新的自适应光学系统 ， 可以提高通道的整体效率 。
量子密钥分配的最终目标是实现全球规模的量子安全通信网络 。 为了实现这一宏伟目标 ， 需要解决两个主要挑战 。 一个挑战是缩小量子密钥分发理论与实践之间的差距 ， 另一个挑战是扩大量子密钥分发的距离 。 该研究工作目标是解决这两个难题 。
从理论上讲 ， 量子密钥分发在利用物理定律的通信中提供了更高的安全性 。 但是 ， 真实设备的缺陷和漏洞可能会导致与用于执行安全性分析的模型产生偏差 。 与测量设备无关的量子密钥分发协议可通过立即消除检测中的所有漏洞来帮助应对这一挑战 。 而且 ， 它可以通过包含诱骗状态来提高实际设备上量子密钥分发实施的性能和安全性 。
基于卫星的量子密钥分发实施可以扩展这种安全通信的距离 ， 因为它们将实现更低的传输损耗和可忽略的空间退相干 。 通过将与测量设备无关的量子密钥分发从光纤扩展到自由空间通道 ， 这一研究工作将是迈向使用卫星大规模实施与测量设备无关的量子密钥分发协议的第一步 。
如图所示基于卫星的与测量设备无关的量子密钥分发的可能配置 。 （a）卫星充当检测终端的角色 ， 而两个地面站则通过上行链路将光子发送到卫星 。 （b）地面站充当检测终端的角色 。 基于地面光纤的网络中的用户通过地面站与卫星共享秘密密钥 。 （c）三颗卫星之间的与测量设备无关的量子密钥分发 。
由于光强度的快速波动使共享时频参考变得困难 ， 研究团队开发了新技术以实现高精度的时间同步和相距很远的独立光子源之间的频率锁定 ， 以保持定时和光谱模式的不可区分性 。 由于这些技术上的突破 ， 使团队完成了以前看起来似乎无法完成的任务 。
这项研究是大规模实施量子密钥分发并使用它来确保长距离通信安全的重要里程碑 。 而且是首次在长距离大气通道中实现光子干涉 。 这将为开发涉及量子干扰的复杂类型的量子信息处理 ， 例如量子纠缠交换和量子隐形传态 ， 开辟令人兴奋的前景 ， 还可能提供测试量子力学和引力接口的新方法 。
研究的长期目标是演示基于卫星的与测量设备无关的量子密钥分发 ， 并最终建立一个全球量子网络 。 为此 ， 需要克服许多其它的挑战 。
这些挑战之一是主要由大气波动引起的高损失 。 在基于卫星的与测量设备无关的量子密钥分配的最直接配置中 ， 卫星扮演着检测终端的角色 ， 即两个地面站通过“上行链路”向卫星发送光子 。 由“墨子号”量子科学实验卫星从距8200多公里的地面站接收信号所测得信道损耗约4152 dB ， 单模光纤耦合效率是损耗的另一个来源 ， 这也是为什么使用与测量设备无关的量子密钥分发系统非常重要 。分页标题#e#
因此 ， 为了使有效的基于卫星的与测量设备无关的量子密钥分发实现成为可能 ， 科学家将首先需要改进现有的方法来跨自由空间通道传输光子 。 为此开发了一种自适应光学系统和一种算法 ， 可以提高自由空间通道的效率 。 在接下来的研究中 ， 研究团队计划创建其它算法和技术来改善整体传输通道 。
研究团队希望克服的第二个重大挑战是与卫星的运动有关 。 由于信号脉冲预期在检测终端的时域内重叠 ， 因此需要对卫星的轨道进行非常准确的预测 ， 并且每个编码脉冲的发射时间也应准确计时 。 面对这样的挑战 ， 研究团队表示 ， 他们相信将能够实现基于卫星的、与测量设备无关的、远程安全的量子密钥分发 。
【|中国科学家：自由空间上远程实现与测量设备无关的量子密钥分发】#我国组建世界首个星地量子通信网#
来源：(互联网连线)
【】网址：/a/2021/0126/kd642217.html
标题：|中国科学家：自由空间上远程实现与测量设备无关的量子密钥分发
