引言
量子信息是第二次量子革命背后的核心科學(xué)。這是基于量子力學(xué)最強(qiáng)大的特性和資源，如量子糾纏、隱形傳態(tài)和不可克隆定理的新型技術(shù)的快速發(fā)展。在這種情況下，由于跨國公司參與了開發(fā)第一臺大型量子計算機(jī)的競爭，因此量子計算最近獲得了很大的發(fā)展。特別是，基于約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)芯片正在迅速增加其量子比特的數(shù)量，并且很快可能開始使用Shor算法對非平凡整數(shù)進(jìn)行因式分解。Rivest-Shamir-Adleman（RSA）協(xié)議和其他公鑰密碼系統(tǒng)面臨的威脅不僅來自量子計算，還來自數(shù)論的潛在進(jìn)步。在這領(lǐng)域中，可以為經(jīng)典圖靈機(jī)找到一種有效的因式分解算法。
需要了解的一點(diǎn)是，當(dāng)前經(jīng)典密碼系統(tǒng)的脆弱性不僅是對當(dāng)前的潛在威脅，而且是對未來更為嚴(yán)重和現(xiàn)實的威脅。今天，竊聽者可能截獲他們無法解密的密碼。然而，一旦技術(shù)上有足夠大的量子計算機(jī)可用，他們就可以存儲這些加密的通信并等待其解密。這意味著消息的機(jī)密性可能具有非常有限的生命周期。在Michele Mosca之后，我們可以寫出一個簡單的不等式。我們稱x為安全有效期，它是我們需要經(jīng)典密碼密鑰來保證安全的時間長度。然后，我們稱y為遷移時間，這是使用量子安全加密來適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)典基礎(chǔ)設(shè)施所需的時間。最后，我們稱z為崩塌時間，也就是建造一臺大型量子計算機(jī)的時間。如果x+y＞z，那我們有理由為此而感到“擔(dān)心”。
因此，顯然有必要采取適當(dāng)?shù)膶Σ?。一種方法稱為后量子密碼學(xué)。這是對分解和其他量子算法具有魯棒性的新型經(jīng)典密碼系統(tǒng)的發(fā)展。當(dāng)然，這只是一種選擇，不能完全解決問題。關(guān)鍵是可能存在尚未發(fā)現(xiàn)的量子算法，可能會輕易破壞新密碼系統(tǒng)的安全性。換句話說，后量子密碼技術(shù)可能僅提供該問題的部分和臨時解決方案。相比之下，量子密鑰分發(fā)（QKD）提供了最終的解決方案：通過訴諸堅不可摧的自然原則來恢復(fù)安全性和機(jī)密性。
盡管QKD為安全問題提供了最終的解決方案，但其在現(xiàn)實中很難實現(xiàn)，并且存在許多有待解決的開放性問題。一方面，完全獨(dú)立于設(shè)備的QKD協(xié)議提供了最高級別的量子安全性，但它們的實現(xiàn)要求很高，并且具有極低的密鑰速率。另一方面，更實際的QKD協(xié)議假設(shè)設(shè)備具有一定程度的可信性，這一假設(shè)允許它們實現(xiàn)合理的速率，但這也會導(dǎo)致危險的側(cè)信道攻擊。
除了在安全性和速率之間進(jìn)行權(quán)衡之外，還有一個重要的權(quán)衡就是速率和距離。今天，我們知道存在一個基本限制，它限制了QKD的任何點(diǎn)對點(diǎn)的實現(xiàn)。給定具有傳輸率η的有損鏈路，雙方分配的密鑰容量不能超過信道的密鑰容量-log2（1-η），也就是說，長距離使用的每個信道秘密比特的比例為1.44η?；谶B續(xù)變量系統(tǒng)和高斯?fàn)顟B(tài)的QKD協(xié)議的理想實現(xiàn)可能接近這個容量，而基于離散變量的QKD協(xié)議由于附加因素而低于此容量。為了克服這一限制，實現(xiàn)QKD的長距離高速實現(xiàn)，我們需要發(fā)展量子中繼器和量子網(wǎng)絡(luò)。通過這種方式，我們可以實現(xiàn)更好的遠(yuǎn)程擴(kuò)展，并通過使用更復(fù)雜的路由策略來進(jìn)一步提高速率。量子中繼器和安全QKD網(wǎng)絡(luò)的研究是當(dāng)今最熱門的課題之一。
本文綜述了量子密碼學(xué)領(lǐng)域最重要和最新的進(jìn)展，包括理論和實驗兩方面。在簡要介紹了QKD協(xié)議的一般概念之后，我們將回顧基于離散和連續(xù)變量系統(tǒng)的主要QKD協(xié)議。我們將考慮標(biāo)準(zhǔn)QKD、設(shè)備獨(dú)立QKD和測量設(shè)備獨(dú)立QKD。我們將討論主通信信道的各種安全級別，從漸近安全性證明到有限尺寸效應(yīng)和可組合性方面的分析。我們還將簡要回顧量子黑客攻擊和側(cè)信道攻擊。然后，我們將介紹在探索QKD極限方面的最新進(jìn)展。特別是，我們將討論與量子信道最重要模型相關(guān)的密鑰容量，我們可以通過這些模型實現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)QKD協(xié)議，以及它們在量子中繼器和網(wǎng)絡(luò)中的擴(kuò)展。最后，我們將討論QKD以外的主題，包括量子數(shù)據(jù)鎖定、量子隨機(jī)數(shù)生成器和量子數(shù)字簽名。
1量子密鑰分配的基本概念
在我們的回顧中，我們既考慮離散變量系統(tǒng)，如有限維Hilbert空間中的量子比特或其他量子系統(tǒng)，也考慮連續(xù)變量系統(tǒng)，如由無限維Hilbert空間描述的電磁場的玻色子模式。關(guān)于這兩個方面有很多評論和書籍。本文中將重復(fù)一些概念，但我們通常假設(shè)這些概念為基礎(chǔ)知識。在這里，我們提到了適用于兩種類型系統(tǒng)的一些常規(guī)方面。
一個通用的QKD協(xié)議可以分為兩個主要部分：量子通信和經(jīng)典后處理。在量子通信中，發(fā)送者（Alice）將隨機(jī)經(jīng)典變量α的實例編碼為非正交量子態(tài)。這些狀態(tài)通過一個量子信道被發(fā)送，竊聽者（Eve）試圖竊取編碼信息。量子力學(xué)的線性特性使其無法進(jìn)行完美的克隆，使得竊聽者只能在干擾量子信號的同時獲得部分信息。在通信信道的輸出端，接收者（Bob）測量輸入信號并獲得隨機(jī)經(jīng)典變量β。在多次使用該信道后，Alice和Bob共享由兩個相關(guān)變量α和β描述的原始數(shù)據(jù)。
遠(yuǎn)程用戶使用部分原始數(shù)據(jù)來估計信道的參數(shù)，例如其透射率和噪聲。為了評估從剩余數(shù)據(jù)中提取私有共享密鑰的后處理量，此階段的參數(shù)估計非常重要。根據(jù)這些信息，實際上執(zhí)行了一個糾錯階段，允許檢測和消除錯誤，然后是隱私放大階段，將Eve竊聽的信息減少到可以忽略不計的程度。
根據(jù)猜測的變量，我們可以進(jìn)行直接調(diào)節(jié)或反向調(diào)節(jié)。在直接調(diào)節(jié)中，Bob對其結(jié)果進(jìn)行后處理以推斷Alice的編碼。此過程通常通過從Alice到Bob的轉(zhuǎn)發(fā)來輔助。相反，在反向調(diào)節(jié)中，是Alice對她的編碼變量進(jìn)行后處理，以推斷Bob的結(jié)果。當(dāng)然，可以更一般地考慮雙向過程，其中密鑰的提取由前向和反饋輔助，甚至可以與協(xié)議的各種通信回合交織。
有時，QKD協(xié)議以基于糾纏的表示形式確定。這意味著，Alice對狀態(tài)輸入集合的準(zhǔn)備被糾纏狀態(tài)AB代替，糾纏狀態(tài)AB的一部分由Alice測量。A部分的測量具有有條件地準(zhǔn)備B部分的狀態(tài)的作用。
測量的結(jié)果與準(zhǔn)備好的狀態(tài)中編碼的經(jīng)典變量是一一對應(yīng)的。此表示形式對于QKD協(xié)議的研究特別有用，因此它們的準(zhǔn)備和度量公式被基于糾纏的公式代替，以評估安全性并推導(dǎo)出密鑰率。
2實驗性DV-QKD協(xié)議
原始的BB84協(xié)議需要完美的單光子源，一次只能發(fā)射一個光子。眾所周知，這些光源很難制造，因此它們已被相干狀態(tài)源所代替，這些狀態(tài)源被嚴(yán)重衰減到每個脈沖的光子的一小部分。但是，由于每個脈沖具有超過一個光子的可能性，因此這些來源導(dǎo)致了安全隱患，并且已經(jīng)提出并證明了光子分裂攻擊利用了安全證明中的錯誤假設(shè)。
如前所述，已經(jīng)提出了一種嚴(yán)格的安全分析，其思想是估計后處理中安全信號的比率。對于實際光源，安全性分析中發(fā)現(xiàn)的界限并不嚴(yán)格，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。為了解決這個問題，已經(jīng)提出了幾種具有不同編碼方案的新穎協(xié)議，在以下各節(jié)中，我們將詳細(xì)解釋其實現(xiàn)的發(fā)展。盡管編碼方案不同，但是所有DV QKD系統(tǒng)都具有共同的單光子檢測器來檢測到達(dá)狀態(tài)。為了實現(xiàn)高密鑰率，高計數(shù)率和低空載時間是必要的。
2.1探測器技術(shù)
在接收器側(cè)，分束器，干涉儀或類似設(shè)備對以各種自由度編碼的信息進(jìn)行解碼。光學(xué)處理后，光子被單個光子檢測器檢測。
砷化銦鎵（InGaAs）光電二極管通過在高于擊穿電壓的反向電壓下工作時在光子吸收處產(chǎn)生強(qiáng)電子，從而檢測單個光子。然而，強(qiáng)電流會導(dǎo)致帶有缺陷的電子俘獲。它們自發(fā)釋放觸發(fā)第二個脈沖，即所謂的后脈沖。抑制后脈沖的常用方法是門控。為了進(jìn)一步抑制此后脈沖并允許超過1 GHz的門控頻率，引入了一種自區(qū)分技術(shù)。APD在-30GHz的溫度下工作，其門控頻率為1.25GHz，獲得100 MHz的計數(shù)率，檢測效率為10.8％，后脈沖概率約為6％，暗計數(shù)率約為3 kHz。
為了實現(xiàn)更高的量子效率，尤其是更低的暗計數(shù)率，已經(jīng)開發(fā)了超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNPD）。它們由一根幾納米厚、幾百納米寬、長數(shù)百微米的納米線組成。它們以曲折結(jié)構(gòu)緊湊地圖案化，并填充了芯片上的正方形或圓形區(qū)域。將納米線冷卻至其超導(dǎo)臨界溫度下，然后施加恰好低于超導(dǎo)臨界電流的偏置電流。入射光子破壞納米線中的庫珀對，從而將超導(dǎo)臨界電流降低到偏置電流以下，從而產(chǎn)生可測量的電壓脈沖。最近的發(fā)展表明，暗計數(shù)速率為0.1 Hz時，在0.8 K的溫度下具有26 ps的低抖動和80％的量子效率。SNSPD已集成到光子電路中。
2.2誘餌狀態(tài)BB84
誘餌狀態(tài)QKD極大地增加了衰減相干激光脈沖源的安全性和距離，并且與單光子源相比更加實用。第一個實現(xiàn)是在2006年以一個誘餌狀態(tài)通過修改商用雙向idQuantique系統(tǒng)執(zhí)行的。在具有相位編碼的雙向協(xié)議中，Bob將明亮的激光脈沖發(fā)送給Alice，后者將其衰減到單光子能級并施加相移后，將其返回Bob進(jìn)行測量。在將脈沖發(fā)送回Bob之前，通過插入Alice電臺的聲光調(diào)制器將脈沖強(qiáng)度隨機(jī)調(diào)制為信號狀態(tài)或誘餌狀態(tài)。不久之后，同一小組實施了帶有額外真空狀態(tài)的兩個誘餌狀態(tài)協(xié)議，以檢測背景和暗計數(shù)檢測概率。
2007年，三個小組同時報告了在單向QKD系統(tǒng)中演示兩誘餌狀態(tài)BB84的情況。在參考文獻(xiàn)中，第一組采用相位編碼技術(shù)，在實驗室中利用光纖繞線軸實現(xiàn)了107km的安全密鑰生成，在參數(shù)估計中加入了有限統(tǒng)計，密鑰速率達(dá)到了12bit/s。用調(diào)幅器對重復(fù)頻率為2.5MHz的DFB半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的誘餌態(tài)脈沖進(jìn)行調(diào)幅。為了檢測，使用了單光子敏感的超導(dǎo)過渡邊緣檢測器。
第二組在加那利群島La Palma和Tenerife之間的144 km自由空間鏈路上演示了兩個誘餌狀態(tài)QKD，衰減為35 dB。極化狀態(tài)由BB84編碼。發(fā)射器中使用了四個850nm激光二極管，與相鄰的二極管成45°角。其中一個以10MHz的時鐘速率發(fā)射了2 ns的脈沖。高強(qiáng)度的誘餌狀態(tài)是由兩個同時發(fā)射脈沖的激光二極管隨機(jī)產(chǎn)生的，而在真空狀態(tài)下則沒有脈沖產(chǎn)生。接收器使用偏振分束器和四個光電探測器進(jìn)行偏振分析。實現(xiàn)了12.8bit/s的安全密鑰率。
第三組使用偏振編碼并演示了在102 km的光纖上生成密鑰的過程。發(fā)射器由10個激光二極管組成，每個二極管在1550 nm的中心波長處產(chǎn)生1 ns的脈沖，重復(fù)頻率為2.5MHz。利用四個半導(dǎo)體激光器分別產(chǎn)生信號和高強(qiáng)度誘餌態(tài)，利用偏振控制器將半導(dǎo)體激光器的輸出偏振態(tài)轉(zhuǎn)換為四個BB84態(tài)之一的偏振態(tài)。使用兩個附加的激光二極管來校準(zhǔn)以時分復(fù)用方式執(zhí)行的兩組偏振基礎(chǔ)。使用多個分束器和偏振分束器的網(wǎng)絡(luò)將10個激光二極管的輸出路由到單根光纖。附加的密集波分復(fù)用濾波器可確保發(fā)出的光子的波長相等。接收器由兩個單光子探測器和一個隨機(jī)選擇一個偏振基準(zhǔn)的開關(guān)組成。
利用InGaAs光子檢測（APD）的先進(jìn)技術(shù)在2008年證明了以GHz為時鐘的誘餌態(tài)QKD在自差分模式下運(yùn)行。自差分電路可以檢測到較小的電荷，從而減少了脈沖發(fā)生的可能性，并且減少了停滯時間。在1.036GHz時鐘頻率下演示的QKD系統(tǒng)基于實現(xiàn)BB84協(xié)議的相位編碼系統(tǒng)，并使用由強(qiáng)度調(diào)制器產(chǎn)生的兩個誘餌狀態(tài)。使用色散位移單模光纖是因為對于65 km以上的通道，必須在標(biāo)準(zhǔn)SMF28單模光纖中補(bǔ)償色散。
在標(biāo)準(zhǔn)BB84協(xié)議中，Bob有50％的時間錯誤地進(jìn)行了度量。此外，在誘餌狀態(tài)BB84中，比其他狀態(tài)更頻繁地發(fā)送具有更高強(qiáng)度的狀態(tài)是有利的。為了提高可用的信號生成率，引入了一種具有不對稱基選擇和高度不平衡強(qiáng)度的有效版本，并報告了一種實現(xiàn)方法。證明了該協(xié)議對集體攻擊的可組合安全性，并用數(shù)值優(yōu)化技術(shù)改進(jìn)了參數(shù)估計?；谙辔痪幋a的GHz系統(tǒng)實現(xiàn)了1.09mbit/s的安全密鑰速率，而標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議在50km光纖長度上的安全密鑰速率為0.63mbit/s。其實驗實現(xiàn)如圖1a所示。
圖1離散變量QKD的典型實驗實現(xiàn)
針對一致攻擊的可組合安全性是最近才實現(xiàn)的。參考文獻(xiàn)中描述了一個實驗，該實驗使用改進(jìn)的雙向商業(yè)即插即用QKD系統(tǒng)進(jìn)行了演示，其中還包括了不完善的狀態(tài)生成。通過單向相位編碼系統(tǒng)進(jìn)一步證明了針對相干攻擊的安全性。使用后一種系統(tǒng)，作者在超低損耗光纖（0.18 dB/km）中實現(xiàn)了240 km的距離。使用檢測效率為10％的APD，熱電冷卻器在-60°C時達(dá)到了10個計數(shù)/秒的暗計數(shù)速率。
現(xiàn)行的421 km超低損耗光纖（0.17 dB/km）的距離記錄是通過簡化的BB84方案以一個誘餌狀態(tài)實現(xiàn)的。距離記錄是通過優(yōu)化各個組件并簡化協(xié)議來實現(xiàn)的。該系統(tǒng)的時鐘頻率為2.5 GHz，并使用了暗計數(shù)率低于0.3 Hz的高效超導(dǎo)檢測器。該協(xié)議基于使用時區(qū)編碼的三種狀態(tài)的方案。以Z為基礎(chǔ)生成了兩個狀態(tài)，分別在第一時間倉和第二時間倉產(chǎn)生一個弱相干脈沖。第三個狀態(tài)，即以X為基礎(chǔ)的狀態(tài)，是兩個時間倉中兩個脈沖的疊加。Z基本狀態(tài)用于估計向竊聽者泄漏的信息，但X基本狀態(tài)用于生成原始密鑰。實驗設(shè)置如圖1b所示。
2.3差分相移QKD
差分相移QKD將信息編碼為兩個連續(xù)脈沖的差分相移。2004年，第一個采用這種編碼技術(shù)的QKD系統(tǒng)在20 km光纖上被報道。來自外腔激光器的連續(xù)波激光二極管在1GHz處進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，以雕刻125 ps長的脈沖。之后，使用相位調(diào)制器將每個脈沖的相位隨機(jī)調(diào)制為0或π。衰減器將光束衰減至每個脈沖0.1個光子。在接收機(jī)側(cè)，使用不平衡的Mach-Zehnder干涉儀測量兩個連續(xù)脈沖之間的差分相位。非平衡Mach-Zehnder干涉儀的兩個輸出由門控單光子探測器探測到。Mach-Zehnder干涉儀就像波導(dǎo)一樣，臂長差可以通過熱量控制。
在另一個實驗中，使用70ps長的2GHz脈沖串，在10km以上實現(xiàn)了Mbit/s范圍內(nèi)的安全比特率。在非平衡Mach-Zehnder干涉儀后的接收器處，光子以非線性過程進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并由硅光電二極管檢測到，該光電二極管能夠以低時序抖動實現(xiàn)10MHz的計數(shù)率。
使用2GHz正弦門控光電二極管可在100 km內(nèi)實現(xiàn)24 kbit/s的高速率。采用基于分束器和兩個法拉第反射鏡以及超導(dǎo)探測器的不等臂邁克爾遜干涉儀，在標(biāo)準(zhǔn)電信光纖中的最大傳輸距離可以提高到260km。其實驗實現(xiàn)如圖1c所示。DPS-QKD協(xié)議已在東京QKD網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行了測試。
2.4單向相干
2005年報道了COW協(xié)議的第一個原理實施證明。對1550 nm連續(xù)波激光束進(jìn)行了強(qiáng)度調(diào)制，以產(chǎn)生量子或誘餌狀態(tài)，并使用可變衰減器將光束衰減至單光子水平。通過兩個連續(xù)的脈沖將位編碼為到達(dá)時間：一個真空狀態(tài)接著一個相干態(tài)代表比特0，一個相干態(tài)接著一個真空態(tài)代表比特1。誘餌狀態(tài)由兩個相干狀態(tài)表示。在接收器一側(cè)，光束被抽頭耦合器分開。當(dāng)通過單個光子檢測器檢測到高透射率的輸出時，將抽頭注入具有不對稱臂的干涉儀中，該臂干擾了兩個脈沖。干涉儀的一個輸出由單個光子檢測器測量，測量結(jié)果用于計算可見度以檢查信道干擾。
在625MHz的高時鐘速度下，建立了一個全自動系統(tǒng)，并在已部署的150多千米電信光纖中進(jìn)行了演示。采用連續(xù)波分布式光纖電信激光二極管、10GHz鈮酸鋰強(qiáng)度調(diào)制器和帕爾貼冷卻InGaAs光電二極管實現(xiàn)了短距離的高時鐘速度。同步是通過第二根光纖將同步信道和經(jīng)典信道的波分復(fù)用來實現(xiàn)的。采用超低損耗光纖和低噪聲超導(dǎo)探測器，傳輸距離達(dá)到了250千米。雖然之前的實現(xiàn)都使用漸進(jìn)式安全證明，但在2014年描述的實現(xiàn)中，考慮了有限尺寸效應(yīng)，在25km光纖上，使用門控InGaAs探測器和FPGAs中的關(guān)鍵蒸餾技術(shù)，達(dá)到了21kbit/s。在這里，僅使用一根單獨(dú)的光纖對量子波和所有經(jīng)典信道使用密集波分復(fù)用來測試COW QKD系統(tǒng)。
據(jù)報告，2015年實施相干單向協(xié)議的系統(tǒng)的傳輸距離達(dá)到307千米。新型自由運(yùn)行的InGaAs/InP負(fù)反饋檢測器在153K下運(yùn)行，具有低背景噪聲和低光纖損耗，以及一個新的可組合有限密鑰大小的安全性分析使結(jié)果得以實現(xiàn)。實驗實現(xiàn)如圖1d所示。
2.5 DV MDI-QKD
DV MDI-QKD于2013年由三個小組首次進(jìn)行實驗演示。第一組在卡爾加里的三個位置之間實施了MDI-QKD，Alice與不受信任的中繼Charlie之間的距離約為12千米，Bob與Charlie之間的距離約為6千米。Alice和Bob的發(fā)射器使用1552 nm的衰減脈沖激光以及強(qiáng)度和相位調(diào)制器，以2 MHz的速率生成了時域量子比特。通過在三個強(qiáng)度級別（真空度、誘餌狀態(tài)級別和信號狀態(tài)級別）之間進(jìn)行選擇，實現(xiàn)了誘餌狀態(tài)協(xié)議。兩個發(fā)送器都通過位于Charlie的主時鐘進(jìn)行同步，該主時鐘通過另一條部署的光纖以光學(xué)方式發(fā)送到各個站。Charlie收到光子后，通過在平衡的分束器處疊加脈沖并使用門控In-GaAs單光子探測器以10μs的空載時間檢測輸出，進(jìn)行了貝爾狀態(tài)測量。
第二組在實驗室里實現(xiàn)了50千米以上的協(xié)議。他們實現(xiàn)了與卡爾加里實驗相似的量子位時域編碼方案，但是使用了四個誘餌強(qiáng)度級別，每個脈沖平均具有0、0.1、0.2和0.5個光子。脈沖激光通過不平衡的Mach-Zehnder干涉儀饋入，以產(chǎn)生兩個時區(qū)脈沖。出于穩(wěn)定性原因，使用位于恒溫容器中的三個幅度和一個相位調(diào)制器來實現(xiàn)對量子位和誘餌的編碼。經(jīng)過25 km的光纖傳輸后，不受信任的中繼器Charlie進(jìn)行了與上述相同的貝爾狀態(tài)測量。所采用的光電探測器使用了上轉(zhuǎn)換技術(shù)，其中周期性極化的非線性過程將1550nm光子轉(zhuǎn)換為862nm，暗計數(shù)率為1kHz。
第三組實現(xiàn)了基于偏振量子位的原理驗證演示，并演示了兩個受信任方和中繼之間超過8.5km長的光纖鏈路的QKD。采用連續(xù)波激光脈沖，用振幅調(diào)制器雕刻激光脈沖。采用可變光衰減器選擇誘餌狀態(tài)電平，并用自動偏振控制器進(jìn)行偏振編碼。繼電器由一個平衡分束器和兩個偏振分束器組成。四個門控InGaAs單光子探測器的暗計數(shù)概率為15 ppm，空載時間為10μs。
然后，使用衰減為0.16 dB/km的超低損耗光纖將MDI-QKD的距離增加到200 km和404 km。為了實現(xiàn)如此長的通信長度，對MDI-QKD協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化，以改善統(tǒng)計波動對關(guān)鍵安全參數(shù)估計的影響。該方案由四個誘餌狀態(tài)組成，
在X基上有三個級別，在Z基上只有一個級別。對每個密鑰的概率進(jìn)行了優(yōu)化，以獲取最大的密鑰率。使用五個強(qiáng)度調(diào)制器和一個相位調(diào)制器來實現(xiàn)這些功能。接收器的實現(xiàn)方式與上述前兩個實驗相同。超導(dǎo)單光子探測器提高了量子效率和暗計數(shù)率。此外，為了達(dá)到404千米的傳輸距離，記錄了3個月內(nèi)時鐘速率為75 MHz的成功傳輸。達(dá)到的密鑰速率為每秒3.2×圖片位。此外，在零傳輸距離下，通過引入脈沖激光種子技術(shù)，在1Ghz重復(fù)頻率下實現(xiàn)了不可分辨的激光脈沖，密鑰速率達(dá)到了1.6Mbit/s。這種新技術(shù)將主激光脈沖作為種子注入從激光器中，在規(guī)定的時間內(nèi)觸發(fā)受激發(fā)射，產(chǎn)生了非常低的定時抖動，接近于變換有限的脈沖。
為了證明量子網(wǎng)絡(luò)上的MDI-QKD在100千米以上的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，使用了具有成本效益的可商購硬件來構(gòu)建基于時空編碼的強(qiáng)大MDI-QKD系統(tǒng)。在其他小組中，也已經(jīng)實現(xiàn)了類似的即插即用系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有時間軸或極化編碼，并且具有不同級別的抗環(huán)境干擾能力。
2.6高維QKD
大多數(shù)離散變量（DV）QKD方案將量子態(tài)編碼為量子位?；厮莸?1世紀(jì)初，人們對發(fā)展DV-QKD方案產(chǎn)生了相當(dāng)大的興趣，這種方案將光子編碼成d＞2的高維基態(tài)。這種方案提供了在每個光子中編碼多個比特信息的能力。這種方案并非沒有缺點(diǎn)，每一模式的信息密度降低為（log2d）/d。盡管如此，高維QKD（HD QKD）可以比其同類產(chǎn)品提供更明顯的優(yōu)勢。
當(dāng)此速率受發(fā)送器和接收器之間的帶寬不匹配限制時，HD QKD可以提高有效密鑰生成速率。當(dāng)發(fā)射器被限制在低于可用接收器帶寬的通量或單光子檢測器被接收到的高光子通量飽和時，就會發(fā)生這種失配。盡管前者通常不會出現(xiàn)在衰減激光源上，但后者通常是由于檢測器空載時間產(chǎn)生的。在超導(dǎo)納米線單光子檢測器（SNSPD）中，空載時間由恢復(fù)其超電流所需的時間決定，在此期間，納米線對任何光子都不敏感。
圖2傳統(tǒng)量子比特DV-QKD協(xié)議的密鑰生成率與信道距離的代表性曲線圖
圖2所示為當(dāng)前可實現(xiàn)的基于qubit的DV QKD密鑰速率與距離的代表性曲線圖。顯然存在兩種不同的機(jī)制：第一種機(jī)制表示正常操作，其中密鑰速率與光纖中的透射率成比例，而光纖的透射率隨距離呈指數(shù)衰減。在更遠(yuǎn)的距離處，進(jìn)入第二種機(jī)制，在這里接收到的光子速率與探測器的背景速率相當(dāng)，掩蓋了密鑰生成方之間的任何相關(guān)性，并突然降低了密鑰的速率。
然而，在短距離、低光子損耗的情況下，由于探測器的空載時間，密鑰速率受到限制。在該機(jī)制下，QKD密鑰速率最高，目前達(dá)到13.72Mb/s。為了進(jìn)一步提高密鑰速率，可以增加更多的檢測器來分配初始強(qiáng)度。另一種策略是增加字母表的維數(shù)，以降低光子傳輸速率，直到探測器剛好低于飽和。到目前為止，已經(jīng)研究了高維QKD的多個自由度，包括位置動量、時間譜和軌道角動量（OAM）。
Cerf等人進(jìn)行了初步的安全分析。對于離散的大字母表，QKD表現(xiàn)出更好的抗噪聲和抗丟失能力。具有離散量子態(tài)的HD QKD能夠容忍錯誤率超過基于qubit協(xié)議的11％限制。然而，該方案及其兩個早期方案（一個使用OAM，另一個使用時間譜編碼）很難被證明。有效地實現(xiàn)這兩個自由度的方案需要單光子探測器。因此，開發(fā)HD-QKD方案的強(qiáng)烈愿望是能夠僅使用少量單光子探測器測量高階關(guān)聯(lián)。
從連續(xù)變量（CV）QKD中借鑒技術(shù)并將其應(yīng)用于時間光譜模式的一種探測器有效的時間方案證明了QKD操作具有極大的字母表，即每個光子超過10位。但是，當(dāng)時沒有針對集體或一致攻擊的安全證據(jù)。時間和能量狀態(tài)并非固有地離散，離散維基上的安全證明不能直接轉(zhuǎn)移到這些連續(xù)基格式上。通過測量Alice和Bob的信息之間的協(xié)方差矩陣可以保證時間譜HD-QKD的安全性。
測量協(xié)方差矩陣涉及頻率基的檢測。對入射光的直接光譜檢測可以使用單光子限制光譜儀。然而，所需數(shù)量的探測器將再次阻止達(dá)到較大維度。為了克服這些局限性，人們引入了新的技術(shù)，通過使用群速度色散、Franson干涉儀或一系列時變相移將光譜信息轉(zhuǎn)換為時間信息。
時間譜編碼的HD-QKD的發(fā)展，激發(fā)了探測光子的秘鑰容量和密鑰生成速率。此外，在兩個不同城市之間進(jìn)行的43千米的現(xiàn)場演示表明，最大密鑰生成速率為1.2 Mbps。由于HD-QKD依賴于單光子的傳輸，因此它很容易受到光子數(shù)分裂攻擊，因此這些演示使用了誘餌狀態(tài)技術(shù)來彌補(bǔ)這個安全漏洞。最近，時間譜HD-QKD的安全性被擴(kuò)展到包括可組合安全框架，該框架只考慮通過有限數(shù)量的測量估計參數(shù)時的統(tǒng)計波動。
基于OAM的高維QKD系統(tǒng)由于與自由空間QKD系統(tǒng)直接兼容而得到了迅速的發(fā)展。高維OAM-QKD在實現(xiàn)高密鑰生成速率方面面臨的主要挑戰(zhàn)是編碼和解碼設(shè)備的切換速度相對較低。到目前為止，涉及SLM、DMD和q板的QKD演示需要大約1ms的時間來重新配置kHz范圍內(nèi)的QKD時鐘速率。雖然q板可以通過電光調(diào)諧在GHz頻率下運(yùn)行，但這些還沒有得到證實。一個吸引人的新方向是使用光子集成電路（PICs），它可以大大減少配置時間。熱光調(diào)諧片上環(huán)形諧振器的開關(guān)時間為20μs。最近，使用16×16光學(xué)相位陣列實現(xiàn)了OAM模式的精確控制，該陣列允許產(chǎn)生高保真度的OAM狀態(tài)。此外，大規(guī)模的單芯片MEMS驅(qū)動電路的開關(guān)時間為2.5μs，具有在OAM產(chǎn)生和控制方面的應(yīng)用潛力。
HD-QKD使用一組共軛光子自由度（如時間—能量或OAM）來提高密鑰生成率已經(jīng)取得了成功。研究新的技術(shù)，包括小型化光子集成電路平臺，同時操縱和檢測多個自由度，可以大大增加維數(shù)，從而進(jìn)一步提高密鑰生成速率。此外，對自由度的選擇和相互無偏基的選擇進(jìn)行更詳細(xì)的研究，可以揭示出在不同的QKD設(shè)置下，哪種編碼方式最可靠。由于高維QKD系統(tǒng)能夠以與數(shù)據(jù)通信速率相當(dāng)?shù)乃俾噬擅荑€，因此有必要進(jìn)一步研究與測量設(shè)備無關(guān)的配置中的HD-QKD。
2.7光子集成電路
QKD設(shè)備比標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)成的電信設(shè)備有更高的要求。QKD發(fā)射機(jī)需要單光子源或弱相干源以極高的消光比進(jìn)行調(diào)制，以實現(xiàn)低誤差的QKD工作。此外，在接收器側(cè)也需要量子限制檢測器，例如單光子檢測器或散粒噪聲限制的零差檢測器。光子集成電路（PICs）為將多個高速量子光子操作集成到一個緊湊的單片電路中提供了一個緊湊而穩(wěn)定的平臺。PICs允許實驗人員以光刻精度在不同的材料平臺上設(shè)計量子器件，以滿足QKD器件的嚴(yán)格要求。通過PICs可以實現(xiàn)的復(fù)雜程度已經(jīng)被證明能夠?qū)崿F(xiàn)更高的密鑰速率的波長復(fù)用、靈活性的多協(xié)議操作以及針對信道中的定時和偏振漂移的額外監(jiān)視和補(bǔ)償功能。已開發(fā)出各種材料平臺來構(gòu)建高性能QKD器件。
有源III–V激光材料，例如磷化銦（InP），是QKD發(fā)射器的一個有前途的平臺，因為可以使用增益激光介質(zhì)來產(chǎn)生弱相干光。InP平臺還具有使用晶格匹配InP的其他三元和四元III-V半導(dǎo)體（例如InGaAs、InGaAsP或InAlAsP）建立量子阱結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。在這些量子阱中，載流子（電子和空穴）被限制在所得的一維勢阱中。向阱施加電場會改變載流子的能量，進(jìn)而改變其吸收光譜和折射率的偏移。該過程稱為量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE），是平臺中可用的最強(qiáng)電光調(diào)制。已證明使用QCSE進(jìn)行強(qiáng)度和相位調(diào)制可在帶寬≥40 GHz時實現(xiàn)超過50dB的高消光比。
SiO2-Si3N4 TriPleX技術(shù)記錄了約圖片dB/cm的低損耗無源元件，這使其成為高速千兆赫茲時鐘QKD操作中基于時間或基于相位的QKD接收器組件的有吸引力的平臺。弱相干脈沖間隔約1 ns。低傳播損耗與高干擾可見性和穩(wěn)定性的結(jié)合，可使Bob保持低誤碼率QKD操作，而無需基于光纖或批量光學(xué)干涉儀通常需要的復(fù)雜穩(wěn)定電路。但是，TriPleX平臺僅依賴于熱光相位調(diào)制，這對于高速Q(mào)KD操作而言很慢。
硅光子技術(shù)最近已經(jīng)成為量子通信的領(lǐng)先平臺，并有望與現(xiàn)有的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)（CMOS）工藝實現(xiàn)高密度集成，從而實現(xiàn)光子和電子組件的單片集成。在沒有自然的電光非線性的情況下，硅光子依靠緩慢的熱光相位調(diào)制來實現(xiàn)高可見度的干擾。在p摻雜和n摻雜硅之間的本征區(qū)域內(nèi)的載流子注入和耗盡提供了硅光子內(nèi)部的高速調(diào)制，但是必須減輕與相位有關(guān)的損耗。近年來，基于MEMS的移相器在進(jìn)一步小型化、降低功耗、實現(xiàn)千兆赫茲帶寬的移相方面顯示出了巨大的前景。
雖然硅光子平臺內(nèi)的完全集成光源的開發(fā)仍在進(jìn)行中，但該平臺已被證明能夠高度適應(yīng)上述活性III–V材料的異質(zhì)鍵合。此外，超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）已被集成到硅光子平臺中，這為可能的具有單光子計數(shù)能力的單片緊湊型QKD接收器鋪平了道路。量子有限零差探測器也被證明在散粒噪聲和電子噪聲之間有足夠大的噪聲間隙，這對于CV-QKD應(yīng)用而言是有效的。
最近的PIC QKD演示使用InP發(fā)送器來實現(xiàn)其功能，并使用TriPleX來實現(xiàn)其低損耗性能。該實驗展示了PIC的靈活性，其靈活性能夠使用同一芯片組以1 GHz的時鐘速率演示多種時區(qū)編碼協(xié)議。最近，硅光子中具有更小型化組件的時分和極化QKD發(fā)射機(jī)的最新演示暗示了與基于LiNbO3的調(diào)制器相比，現(xiàn)成的光纖組件可能具有更高的性能優(yōu)勢。最近證明了硅光子平臺在43km城際光纖鏈路上使用偏振編碼進(jìn)行QKD操作的可能性，該鏈路通常被認(rèn)為由于光纖偏振漂移而過于不穩(wěn)定。該實驗證明了密鑰生成速率與時間間隔相當(dāng)，但具有偏振穩(wěn)定功能，見圖3。
圖3基于PICs的QKD實驗演示
PIC平臺還提供了產(chǎn)生光量子源的新方法：單光子和糾纏光子源。雖然弱相干光當(dāng)前是QKD操作最流行的方法，但其泊松統(tǒng)計數(shù)據(jù)卻產(chǎn)生了側(cè)信道漏洞，必須通過誘餌狀態(tài)方法將其關(guān)閉。具有真正單光子或糾纏光子的QKD可以避免此問題，而無須使用消耗隨機(jī)位的誘餌狀態(tài)協(xié)議。在InP平臺中，可以從外延生長的量子點(diǎn)生成單光子，以在標(biāo)準(zhǔn)電信1550 nm窗口中發(fā)光。在硅光子學(xué)中，基于自發(fā)四波混頻（SFWM）的單芯片糾纏對源已經(jīng)被證明不需要任何片外濾波。
這些新穎的量子源中仍然存在的一項重要挑戰(zhàn)是增加亮度，以使其足以用于千兆赫茲時鐘的QKD操作。目前，即使在接近統(tǒng)一的收集效率下，這些量子源的輸出通量也被限制在約10MHz。這些量子源通常使用相干激光泵浦。增加量子點(diǎn)源的泵浦功率會誘發(fā)多光子發(fā)射，從而降低單光子純度。然而，激發(fā)的替代方案已顯示出將多光子發(fā)射幾率降低幾個數(shù)量級的巨大希望。已證明增加糾纏的SFWM光源的泵浦功率會引起雙光子吸收，從而使光源亮度飽和。
集成光子平臺有望為構(gòu)建QKD網(wǎng)絡(luò)帶來重大好處。設(shè)備的小型化以及高度可靠的制造工藝可以加快QKD在實際數(shù)據(jù)加密中的采用速度，尤其是在MDI配置中。在這種情況下，只有幾個中央接收器節(jié)點(diǎn)需要具有超低溫高效的SNSPD，而所有客戶端都可以利用個人PIC在彼此之間生成密鑰。該平臺提供的光刻精度也有望為MDI QKD提供相同的集成光源。
總之，PIC為設(shè)計新器件提供了新的機(jī)會，這些器件可以滿足低錯誤QKD操作的需求。通過多個平臺的異構(gòu)集成對新設(shè)備物理特性進(jìn)行研究，可以開發(fā)出性能更高的新型量子源和接收器。此外，PIC的相穩(wěn)定平臺還適合于高密度復(fù)用的QKD操作，這可以顯著提高密鑰生成速率。（此報告內(nèi)容由編輯部翻譯整理）
