近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)、濟(jì)南量子技術(shù)研究院王向斌、張強(qiáng)等研究人員，以及中科院上海微系統(tǒng)所尤立星團(tuán)隊(duì)，首次實(shí)現(xiàn)了側(cè)信道無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，相關(guān)成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上。

圖片來(lái)自《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)

前述成果可以抵御任何針對(duì)現(xiàn)實(shí)量子密鑰分發(fā)(QKD)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)探測(cè)端和源端出射光子的側(cè)信道攻擊，有助于進(jìn)一步提升QKD現(xiàn)實(shí)安全性。

QKD基于量子力學(xué)基本原理，理論上可以為遠(yuǎn)程用戶提供無(wú)條件安全的密鑰交換。然而，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)和理論之間存在很大差距。在實(shí)際QKD系統(tǒng)中，由于現(xiàn)實(shí)器件并不完美，竊聽(tīng)者可以利用編碼維度以外的側(cè)信道，如光子頻譜、發(fā)射時(shí)間、傳播方向、空間角動(dòng)量等來(lái)竊取密鑰，這給現(xiàn)實(shí)QKD系統(tǒng)留下了潛在安全性漏洞。2012年，測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)(MDI-QKD)協(xié)議的提出將QKD系統(tǒng)探測(cè)端的安全性漏洞完全關(guān)閉，但從源端出射的光子仍然可能遭受側(cè)信道攻擊，從而降低現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的安全性。

2019年，濟(jì)南量子技術(shù)研究院王向斌教授在其提出的“發(fā)送”或“不發(fā)送”雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議基礎(chǔ)上，通過(guò)將無(wú)側(cè)信道安全性漏洞的理想光源映射到現(xiàn)實(shí)的不完美光源上，提出了一種側(cè)信道無(wú)關(guān)的QKD協(xié)議，該協(xié)議不僅可以抵御任何針對(duì)QKD系統(tǒng)源端出射光子的側(cè)信道攻擊，還繼承了MDI-QKD協(xié)議免疫任何針對(duì)探測(cè)端攻擊的特點(diǎn)，具有高安全性等級(jí)。

側(cè)信道安全QKD協(xié)議的示意圖，圖片來(lái)自論文

基于前述理論協(xié)議，團(tuán)隊(duì)利用時(shí)頻傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)精確控制兩臺(tái)獨(dú)立激光器的頻率，采用簡(jiǎn)單易行的“發(fā)送”或“不發(fā)送”方式編碼光脈沖，并利用相位參考光來(lái)估計(jì)和補(bǔ)償光纖的相對(duì)相位快速漂移，最終在50公里光纖中實(shí)現(xiàn)了側(cè)信道無(wú)關(guān)的量子密鑰分發(fā)。

研究成果表明，利用現(xiàn)有商用產(chǎn)品和成熟技術(shù)，可以在現(xiàn)實(shí)QKD系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同時(shí)免疫任何針對(duì)源端出射光子和探測(cè)端的側(cè)信道攻擊。此外，團(tuán)隊(duì)分析了在提高實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)性能條件下，該方案可以進(jìn)行超過(guò)170公里的側(cè)信道無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，圖片來(lái)自論文

《物理評(píng)論快報(bào)》審稿人評(píng)價(jià)前述工作“在解決QKD領(lǐng)域中一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，即實(shí)現(xiàn)安全性問(wèn)題方面有很大的幫助。”此次研究獲得科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、山東省泰山學(xué)者建設(shè)工程、濟(jì)南市和濟(jì)南高新區(qū)資助。