近日，中國科學技術(shù)大學潘建偉院士團隊、濟南量子技術(shù)研究院王向斌、張強等研究人員，以及中科院上海微系統(tǒng)所尤立星團隊，首次實現(xiàn)了側(cè)信道無關(guān)量子密鑰分發(fā)的實驗驗證，相關(guān)成果發(fā)表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。

圖片來自《物理評論快報》(Physical Review Letters)

前述成果可以抵御任何針對現(xiàn)實量子密鑰分發(fā)(QKD)實驗系統(tǒng)探測端和源端出射光子的側(cè)信道攻擊，有助于進一步提升QKD現(xiàn)實安全性。

QKD基于量子力學基本原理，理論上可以為遠程用戶提供無條件安全的密鑰交換。然而，實驗實現(xiàn)和理論之間存在很大差距。在實際QKD系統(tǒng)中，由于現(xiàn)實器件并不完美，竊聽者可以利用編碼維度以外的側(cè)信道，如光子頻譜、發(fā)射時間、傳播方向、空間角動量等來竊取密鑰，這給現(xiàn)實QKD系統(tǒng)留下了潛在安全性漏洞。2012年，測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)(MDI-QKD)協(xié)議的提出將QKD系統(tǒng)探測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)實系統(tǒng)的安全性。

2019年，濟南量子技術(shù)研究院王向斌教授在其提出的“發(fā)送”或“不發(fā)送”雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議基礎(chǔ)上，通過將無側(cè)信道安全性漏洞的理想光源映射到現(xiàn)實的不完美光源上，提出了一種側(cè)信道無關(guān)的QKD協(xié)議，該協(xié)議不僅可以抵御任何針對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)議免疫任何針對探測端攻擊的特點，具有高安全性等級。

側(cè)信道安全QKD協(xié)議的示意圖，圖片來自論文

基于前述理論協(xié)議，團隊利用時頻傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)精確控制兩臺獨立激光器的頻率，采用簡單易行的“發(fā)送”或“不發(fā)送”方式編碼光脈沖，并利用相位參考光來估計和補償光纖的相對相位快速漂移，最終在50公里光纖中實現(xiàn)了側(cè)信道無關(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QKD系統(tǒng)中實現(xiàn)同時免疫任何針對源端出射光子和探測端的側(cè)信道攻擊。此外，團隊分析了在提高實驗系統(tǒng)性能條件下，該方案可以進行超過170公里的側(cè)信道無關(guān)量子密鑰分發(fā)。

實驗系統(tǒng)示意圖，圖片來自論文

《物理評論快報》審稿人評價前述工作“在解決QKD領(lǐng)域中一個長期存在的問題，即實現(xiàn)安全性問題方面有很大的幫助。”此次研究獲得科技部、國家自然科學基金委、山東省重點研發(fā)計劃項目、山東省泰山學者建設(shè)工程、濟南市和濟南高新區(qū)資助。