作者:郭光灿等 来源:《光学》 发布时间:2022/7/22 14:44:40
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节点不必可信的量子密钥分发网络已实现
向实现下一代量子网络迈出重要一步

 

中国科学技术大学郭光灿院士团队韩正甫教授及其合作者王双、银振强、陈巍等,实现了抗环境干扰的非可信节点量子密钥分发网络,全面提高了量子密钥分发网络的安全性、可用性和可靠性,向实现下一代量子网络迈出了重要一步。相关研究成果日前在线发表于国际学术知名期刊《光学》。

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 测量设备无关量子网络的实施框图 课题组供图

网络安全是信息时代的重要主题,量子密钥分发网络以量子物理原理为基础,可为成千上万的用户提供信息论安全的保密通信服务,构建安全可控的网络环境。当前,量子保密通信网络已在全球各地先后部署,证明了其优越的安全通信能力。

在量子分发网络的过程中,由于技术条件限制,中间会设置接力点——中继节点。为了确保网络的安全性,需要对这些节点进行严格的安全防护,研究人员称之为“可信节点”。相反地,如果不需要做安全保护,即为“非可信节点”。

“做安全防护需要大量昂贵的硬件,因此建立可信节点量子保密通信网络需要巨大成本,而且太多额外的硬件还会降低系统的安全性。”韩正甫介绍,如何免除用户链路上必须可信的中间节点,降低对通信链路的安全性要求,从而构建下一代基于非可信节点的量子网络,是目前急需解决的问题。

测量设备无关量子密钥分发协议(MDI-QKD)通过设置一个非可信节点对编码量子态进行联合测量,可在两个用户间构建安全的通信链路,是构建百公里级城域量子网络的重要角色。然而,联合测量不仅限定了参与用户的数量,还对信道环境的稳定性提出更高要求,不利于在复杂网络环境下进行部署。

多年来,韩正甫课题组围绕这一问题展开深入研究,2015年实现了参考系测量设备双无关系统,解决了相位扰动的问题;2017年设计出环境鲁棒型系统,进一步实现了抗偏振扰动能力;2021年提出非独立组网方案,探索测量设备无关系统的网络化路线。至此,课题组具备解决MDI-QKD网络的多用户可用性和环境干扰下可靠性问题的条件。

此次研究中,课题组设计“萨格纳克-马赫-曾德尔”结构的非相敏量子编码器,能够免除相位参考系的补偿。同时,课题组借助随机化,擦除了编码量子态的偏振信息,使其具备抗信道偏振扰动能力。最后,课题组重新利用偏振维度进行多用户配对,能够同步实现多对用户的强度干涉(HOM干涉)和联合测量。

在此基础上,课题组完成了测量设备无关量子密钥分发网络的构建,使其同时具备抗环境干扰、无需可信节点、支持多用户灵活组网的特性。

研究成果推动了下一代量子保密通信网络的实用化,为未来量子互联网的具体形态做出有益探索。(来源:中国科学报 王敏)

相关论文信息:https://doi.org/10.1364/OPTICA.458937

 
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