近日，交叉信息院馬雄峰研究組基於小組所提出的模式匹配量子密鑰分發的理論工作，與中國科學技術大學潘建偉、陳騰雲等合作，首次在實驗上實現了模式匹配量子密鑰分發。

　　量子密鑰分發（Quantum key distribution）利用量子物理基本原理，可為通信雙方產生理論上無條件安全的隨機密鑰，保證了信息傳輸過程中的安全性。自上個世紀九十年代以來，經過多年的理論及實驗技術的發展，該方向特別是基於光纖信道的量子密鑰分發當前已經進入到了實用化階段。光子作為最普遍應用的信息載體，其傳輸損耗是量子密鑰分發協議實現的主要障礙。目前已有的傳統雙模測量設備無關協議（MDI-QKD）無法突破傳輸損耗決定的線性成碼上限，傳輸距離較低，而單模相位匹配協議（PM-QKD）密鑰速率高，傳輸距離長，但需要引入遠距離相位鎖定技術，實用性較低。如何在兼顧實用性的前提下有效克服傳輸損耗從而提高密鑰速率、傳輸距離是量子密鑰分發協議理論和實驗研究的核心任務。

　　馬雄峰和組內2021屆博士曾培、2019屆博士周泓伊、2020級本科生吳蔚捷提出了一種新型的模式匹配量子密鑰分發(MP-QKD)協議，同時兼顧單模協議的高性能和雙模協議的實用性。如圖1所示，這個協議中，Alice（以及Bob）首先將信號編碼在單個光學模式中。然後，根據Charlie的探測響應結果，Alice和Bob對發送的信號進行配對，提取相對的編碼信息。由於Charlie隻需進行單次幹涉即可關聯Alice和Bob的信號，該協議獲得了與單模協議相近的高成碼率。另一方麵，由於成碼信息編碼在配對的信號的相對信息中，模式配對協議的編碼可以容忍更高的光源及鏈路相位變化，因而不需要複雜的遠距離激光相位鎖定技術，大幅降低單模協議對光源與鏈路相位控製的要求。根據實驗中激光器、信道的自身穩定情況，可以調節協議中允許的最大配對間隔l。在l>1000時，協議的成碼率可以突破點對點協議的線性成碼上限；在l取到10^4以上時，協議的成碼率和目前的單模協議成碼率基本相同。實驗驗證表明，在沒有激光相位鎖定的環境下，配對長度l=10^4時，協議仍然有較低的錯誤率。相較於原始的測量設備無關協議，MP-QKD可以將更多的探測事件用於成碼，可以很大程度提高成碼率；相較於雙場量子密鑰分發協議(TF-QKD)和相位匹配協議，MP-QKD無需複雜的激光器鎖頻鎖相技術，節省成本且降低了實際應用難度，同時對環境噪聲有更好的抗幹擾能力。

圖1 模式匹配量子密鑰分發協議示意圖

　　基於該理論方案，馬雄峰和組內2019級博士生黃溢智與中科大實驗團隊合作，提出利用極大似然估計的數據後處理方法精確地估算出兩個獨立激光器的頻率差用於參數估計，並結合中科院上海微係統所研製的高效率單光子探測器，實現了實驗室標準光纖百公裏級、兩百公裏級、三百公裏級以及超低損光纖四百公裏級的安全成碼，相較於之前的原始MDI實驗，成碼率有明顯提升，並且在三百公裏和四百公裏距離上較之前實驗成碼率提升了3個數量級。實驗結果表明，模式匹配量子密鑰分發在不需激光器鎖頻鎖相的條件下可以實現遠距離安全成碼且在城域距離有較高成碼率，極大地降低了協議實現難度，對未來量子通信網絡構建具有重要意義。

圖2 模式匹配協議的成碼率比較圖

　　相關研究成果日前發表在國際學術期刊《物理評論快報》上，並被人民網、科技日報等多家媒體報道。本研究論文的共同第一作者為中國科學技術大學博士生朱浩滔和清華大學交叉信息院2019級博士生黃溢智。該工作得到了科技部、中科院、國家自然科學基金委等的資助。