中科大首次实现侧信道无关的量子密钥分发实验

近日，中国科学技术大学潘建伟院士团队、济南量子技术研究院王向斌、张强等研究人员，以及中科院上海微系统所尤立星团队，首次实现了侧信道无关量子密钥分发的实验验证，相关成果发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

图片来自《物理评论快报》(Physical Review Letters)

前述成果可以抵御任何针对现实量子密钥分发(QKD)实验系统探测端和源端出射光子的侧信道攻击，有助于进一步提升QKD现实安全性。

QKD基于量子力学基本原理，理论上可以为远程用户提供无条件安全的密钥交换。然而，实验实现和理论之间存在很大差距。在实际QKD系统中，由于现实器件并不完美，窃听者可以利用编码维度以外的侧信道，如光子频谱、发射时间、传播方向、空间角动量等来窃取密钥，这给现实QKD系统留下了潜在安全性漏洞。2012年，测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)协议的提出将QKD系统探测端的安全性漏洞完全关闭，但从源端出射的光子仍然可能遭受侧信道攻击，从而降低现实系统的安全性。

2019年，济南量子技术研究院王向斌教授在其提出的“发送”或“不发送”双场量子密钥分发协议基础上，通过将无侧信道安全性漏洞的理想光源映射到现实的不完美光源上，提出了一种侧信道无关的QKD协议，该协议不仅可以抵御任何针对QKD系统源端出射光子的侧信道攻击，还继承了MDI-QKD协议免疫任何针对探测端攻击的特点，具有高安全性等级。

侧信道安全QKD协议的示意图，图片来自论文

基于前述理论协议，团队利用时频传输等关键技术精确控制两台独立激光器的频率，采用简单易行的“发送”或“不发送”方式编码光脉冲，并利用相位参考光来估计和补偿光纤的相对相位快速漂移，最终在50公里光纤中实现了侧信道无关的量子密钥分发。

研究成果表明，利用现有商用产品和成熟技术，可以在现实QKD系统中实现同时免疫任何针对源端出射光子和探测端的侧信道攻击。此外，团队分析了在提高实验系统性能条件下，该方案可以进行超过170公里的侧信道无关量子密钥分发。

实验系统示意图，图片来自论文

《物理评论快报》审稿人评价前述工作“在解决QKD领域中一个长期存在的问题，即实现安全性问题方面有很大的帮助。”此次研究获得科技部、国家自然科学基金委、山东省重点研发计划项目、山东省泰山学者建设工程、济南市和济南高新区资助。