基于芯片测量设备无关的量子密钥分发

量子计算机执行某些任务的速度可能比传统计算机快得多，因此它对当前依赖数学分解问题计算复杂度来保持电子邮件、银行交易和其他在线操作安全的传统加密体系构成了巨大威胁。为了对抗经典计算和量子计算的发展，安全通信变得越来越重要。量子密钥分发提供了一种基于物理定律验证密钥交换完整性和安全性的方法。基于量子不可克隆原理的量子密钥分发能够消除这种威胁。最新的研究展示了如何利用集成光子技术，使用小型化、稳健性高且相对便宜的半导体芯片来实现量子密钥分发（QKD）。

量子密钥分发就是发送方随机发送两组非正交基矢下的单光子，接收方随机选择基矢进行测量，理想情况下在二者使用相同基矢时，双方将会得到安全且一致的密钥。具体来说Alice 从4个随机态中随机选择一个制备单光子量子态，然后通过一个量子信道发送给 Bob。Bob 接收到 Alice 发来的量子态后，从Z和X 基矢中随机选择一个进行测量，并记录下测量结果。然后 Alice 和 Bob 通过公开认证信道比对编码基矢和测量基矢，保留下相同基矢部分的编码比特和测量结果，由此得到一串原始密钥。Alice 和 Bob 可以通过随机公开部分比特抽样得到对误码率的估计。如果误码率超出一定的理论阈值，则可以判断窃取者Eve的存在。

尽管量子密钥分发具有理论上的无条件安全性，然而实际量子密钥分发系统中因为器件的不完美性仍然存在一些安全性漏洞，针对这些安全漏洞存在多种攻击方案。测量设备无关的量子密钥分发协议（measurement device independent quantum key distribution，QKD-MDI）彻底关闭了量子密钥分发系统所有测量端的漏洞。即使测量设备完全受 Eve 控制也不影响安全性，该协议天然地免疫所有探测器端的攻击。

图1 集成QKD-MDI系统。（a）通过级联MZIs产生时间二进制编码BB84弱相干态的6 mm × 2 mm磷化铟芯片原理图； T.Enc模块进行时间编码，I. Mod模块用来变化诱骗态强度，Ph. Enc模块用来编码相位信息，1GHz光电二极管（PD）可用于功率监测和反馈。（b）长度仅为1 mm的片上DBR激光器（顶部）和MZI（底部）的显微镜图像。（c）时间编码中的Bell态投影。 （d） MDI-QKD实验原理图。两个相同的设备独立地生成BB84态并将它们发送到接收器。量子态通过分束器和单光子探测器投影在Bell基上，一组4个检测器用于提高计数率、符合概率和密钥率。

如图1所示，英国布里斯托大学的 Henry Semenenko 和他的同事已经用6 mm × 2 mm磷化铟芯片制成了Alice和Bob的光子源，该芯片包含一系列马赫曾德尔干涉仪和其他光学组件。研究人员用可变衰减器将微弱的光子脉冲沿着光纤链路传输。他们利用光子的到达时间和相位对信号进行编码，并利用超导纳米线单光子器件检测这些信号。这样，研究人员能够以小于0.5%的量子误码率传输信息，在100 km长的模拟光纤中，可以以每秒一千比特的速度发送密钥，但当光纤距离提高到200 km时这个速率下降到每秒1.25 bit，估计在超过350 km的距离内，该系统将提供正的密钥速率。

磷化铟为量子密钥分发网络提供了一个“可行的平台”，而批量生产则产生突出的低成本效应。未来，家庭使用这样利用量子加密连接到互联网上的设备将成为可能，并且随着超导技术的发展将会进一步提高数据速率。