我校量子信息技术研究所的王琴教授团队近期在高性能量子密码系统方向取得了一系列重要的研究进展，其中包括：提出更实用的双场协议的源端安全性刻画方法，实现传输效率最高的双场实验，提出更高效的测量设备无关量子密钥分发方案，以及实现当前最远传输距离的测量设备无关量子密钥分发实验。
量子密钥分发的安全性由量子力学基本原理所保证，而且它结合一次一密的方法原则上能够实现无条件安全的通信，因而吸引了世界各国研究者的关注。自1984年第一个BB84协议提出以来，量子密钥分发已经有近四十年的发展历史，目前正在朝着更安全、更实用的方向发展。双场协议和测量设备无关协议可以免疫所有针对测量端的攻击，因而成为当前安全性最高的两种实用化量子密钥分发协议，也是当前国际、国内本领域关注的焦点。以上两种协议各有优缺点，其中双场协议具有传输距离远、密钥率高等优点，但是它的源端安全性仍没有得到妥善解决，另外还存在稳定性差、传输效率低等缺点；测量设备无关协议具有稳定性好、技术门槛低等优点，但仍存在传输距离近，密钥率低等缺点。针对以上问题，王琴教授团队开展了相关理论与实验研究，并取得一系列重要突破。
工作一：该团队提出了一种使用Hong- Ou-Mandel干涉可见度来刻画双场协议源端安全性的方法，并结合可区分诱骗态分析方法来保障双场协议的现实安全性。现有刻画源端安全性的方法大多要求对每一个器件单独使用一个参数进行刻画，导致实验的工作量和复杂度增加。王琴教授团队首次利用Hong- Ou-Mandel干涉可见度来刻画双场系统中编码态与参考态的差异，使得只需一个参数就能准确刻画该系统光源安全性大小，降低了实验难度和复杂度，为实现更安全实用的双场系统打下基础。
图一、基于HOM干涉的刻画TF QKD光源安全性方案示意图
工作二：针对双场系统中相位快速漂移的问题，该团队提出了高效的稳定控制机制，通过机器学习对相位漂移大小进行预测和主动反馈补偿，还专门设计了具有时间感知能力的序列-序列长短期记忆神经网络，将全局相位的预测计算过程控制在纳秒级别，将500公里光纤距离下双场系统的有效传输占空比由原有的50%左右提升至87.5%，达到当前国际双场协议的最高传输率，极大提高了双场系统在城际量子密码网络中的可用性。
图二、双场协议的高效稳定控制实验示意图
工作三：针对现有测量设备无关协议存在传输距离有限、密钥率低等缺点，该团队提出了改进的偏选基五强度诱骗态测量设备无关协议，通过使用Vandermonde矩阵和McDiarmid不等式有效降低统计涨落，并且结合自研的实验系统实现了442公里的安全传输距离，创造了该类协议新的世界记录。
图三、远距离测量设备无关协议理论和实验数据对比图
工作四：为了进一步提升测量设备无关协议的安全传输距离和密钥率，该团队提出了基于全光量子存储的测量设备无关量子密钥分发方案，同时结合实用化的诱骗态方案进一步提升了测量设备无关协议的安全码率和传输距离，为未来实现高性能量子通信组网奠定了基础。
图四、基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方案原理示意图
以上工作均发表在本领域知名学术期刊上，其中工作一发表在《Physical ReviewApplied》上，工作二发表在《中国科学: 信息科学》上，工作三发表在《Physical Review A》上，工作四发表在《Physical ReviewResearch》上。
以上工作的第一作者分别为通信与信息工程学院博士研究生孙铭烁（工作一和工作四）和刘靖阳（工作二和工作三），量子信息技术研究所的王琴教授和张春辉副教授为主要通讯作者，曾桂根副教授和周星宇等老师也做出了重要贡献。此项工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省重点研发计划、江苏省前沿引领计划，以及江苏省研究生科研实践创新等项目的支持。
论文链接：
1.https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.5.043179
2. https://link.springer.com/article/10.1007/s11432-022-3619-0
3.https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.108.022605
4.https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.20.024029
（撰稿：孙铭烁 编辑：吕瑞兰 审核：王琴、徐雷）