近日，交叉信息院马雄峰研究组基于小组所提出的模式匹配量子密钥分发的理论工作，与中国科学技术大学潘建伟、陈腾云等合作，首次在实验上实现了模式匹配量子密钥分发。

量子密钥分发（Quantum key distribution）利用量子物理基本原理，可为通信双方产生理论上无条件安全的随机密钥，保证了信息传输过程中的安全性。自上个世纪九十年代以来，经过多年的理论及实验技术的发展，该方向特别是基于光纤信道的量子密钥分发当前已经进入到了实用化阶段。光子作为最普遍应用的信息载体，其传输损耗是量子密钥分发协议实现的主要障碍。目前已有的传统双模测量设备无关协议（MDI-QKD）无法突破传输损耗决定的线性成码上限，传输距离较低，而单模相位匹配协议（PM-QKD）密钥速率高，传输距离长，但需要引入远距离相位锁定技术，实用性较低。如何在兼顾实用性的前提下有效克服传输损耗从而提高密钥速率、传输距离是量子密钥分发协议理论和实验研究的核心任务。

马雄峰和组内2021届博士曾培、2019届博士周泓伊、2020级本科生吴蔚捷提出了一种新型的模式匹配量子密钥分发(MP-QKD)协议，同时兼顾单模协议的高性能和双模协议的实用性。如图1所示，这个协议中，Alice（以及Bob）首先将信号编码在单个光学模式中。然后，根据Charlie的探测响应结果，Alice和Bob对发送的信号进行配对，提取相对的编码信息。由于Charlie只需进行单次干涉即可关联Alice和Bob的信号，该协议获得了与单模协议相近的高成码率。另一方面，由于成码信息编码在配对的信号的相对信息中，模式配对协议的编码可以容忍更高的光源及链路相位变化，因而不需要复杂的远距离激光相位锁定技术，大幅降低单模协议对光源与链路相位控制的要求。根据实验中激光器、信道的自身稳定情况，可以调节协议中允许的最大配对间隔l。在l>1000时，协议的成码率可以突破点对点协议的线性成码上限；在l取到10^4以上时，协议的成码率和目前的单模协议成码率基本相同。实验验证表明，在没有激光相位锁定的环境下，配对长度l=10^4时，协议仍然有较低的错误率。相较于原始的测量设备无关协议，MP-QKD可以将更多的探测事件用于成码，可以很大程度提高成码率；相较于双场量子密钥分发协议(TF-QKD)和相位匹配协议，MP-QKD无需复杂的激光器锁频锁相技术，节省成本且降低了实际应用难度，同时对环境噪声有更好的抗干扰能力。

图1 模式匹配量子密钥分发协议示意图

基于该理论方案，马雄峰和组内2019级博士生黄溢智与中科大实验团队合作，提出利用极大似然估计的数据后处理方法精确地估算出两个独立激光器的频率差用于参数估计，并结合中科院上海微系统所研制的高效率单光子探测器，实现了实验室标准光纤百公里级、两百公里级、三百公里级以及超低损光纤四百公里级的安全成码，相较于之前的原始MDI实验，成码率有明显提升，并且在三百公里和四百公里距离上较之前实验成码率提升了3个数量级。实验结果表明，模式匹配量子密钥分发在不需激光器锁频锁相的条件下可以实现远距离安全成码且在城域距离有较高成码率，极大地降低了协议实现难度，对未来量子通信网络构建具有重要意义。

图2 模式匹配协议的成码率比较图

相关研究成果日前发表在国际学术期刊《物理评论快报》上，并被人民网、科技日报等多家媒体报道。本研究论文的共同第一作者为中国科学技术大学博士生朱浩滔和清华大学交叉信息院2019级博士生黄溢智。该工作得到了科技部、中科院、国家自然科学基金委等的资助。