在 300 km 以上、态制备存在缺陷时,测量设备无关 QKD 还能保持安全吗?

一项 MDI-QKD 实验在 303.37 km 上分发安全密钥,同时容忍编码、强度和真空态制备缺陷。

直接答案

可以,但仅限于论文所建模的缺陷范围。作者用算子占优不等式同时处理编码不确定性、强度波动和不完美真空态,报告在 303.37 km 标准单模光纤上实现了安全密钥分发,该距离下的密钥率为 6.26E-11。

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303.37 km 密钥同时建模三类源缺陷

论文要回答的问题是:当 Alice 和 Bob 实际发出的量子态与预期态不一致时,测量设备无关(MDI)量子密钥分发能否仍然给出可证明的安全密钥。MDI-QKD 让双方都把信号发给一个不可信中继 Charlie,由 Charlie 做干涉测量并公布结果,从而不再对接收端探测器作假设。剩下的薄弱环节在源端。作者同时建模三类源缺陷,仍报告在 303.37 km 标准单模光纤上完成安全密钥分发,该距离下密钥率为 6.26E-11。

三类缺陷分别是编码不确定性、强度波动和不完美真空态。编码不确定性指相位或比特编码偏离标称值;强度波动指诱骗态和信号脉冲的能量发生起伏;不完美真空态指本应为空的脉冲因消光比有限而仍带有少量残余强度。论文把这些统称为态制备不确定性(SPU),即实际制备出的态并非安全证明所假设的那个态。

距离结论是相对比较,而非绝对纪录。作者指出,此前只处理编码 SPU 的 MDI-QKD 实验最远达到 170 km,而他们的结果在有限码长情形下把距离延长了 83.56 km,同时覆盖更多 SPU 类型。这一比较是论文自己对创新点的界定。

算子占优把可测态转成上下界

安全证明需要单光子事件的两个量:它们发生的频率,以及它们携带多少会泄露给窃听者的相位错误。这两个量都不能直接测量。作者转而构造算子不等式,称为算子占优条件,用实验实际能制备并计数的态,从上下两侧夹住未知的单光子态。

具体来说,论文式 (9) 把目标算子写成 Z 基和 X 基四个单光子态的实系数组合,式 (12) 则给出由诱骗强度构造的类似上下界。一旦这类不等式成立,目标态的计数率就可以用测试态的实测计数率来界定。作者称这样得到的是密钥率的紧致估计,而不是宽松的最坏情形估计。

真空态问题需要额外处理,因为时间仓编码把真空态当作信号态使用,而有限消光比使它并不完美。作者引入强度为 omega 的辅助弱诱骗态来替代真空态,并从非归一化态的不等式推出式 (12) 的第一个条件。他们论证该估计仍然紧致,因为 q0,o + q1,o - 1 这一项接近零。

密钥率随光纤长度急剧下降

实验报告了五个光纤长度下的结果。密钥率 R_MDI 在 101.15 km 为 2.06E-6,152.40 km 为 2.80E-7,202.31 km 为 5.51E-8,253.56 km 为 3.92E-9,303.37 km 为 6.26E-11。这些数值按论文报告的单位计,在整个范围内跨越约五个数量级。

其他报告量也朝同一方向变化。增益 Q[mu,mu] 从 101.15 km 的 1.44E-5 降到 303.37 km 的 1.83E-9。单光子计数率 s11 在同一区间从 2.83E-4 降到 4.80E-8。相位错误率 ex 并非单调:五个长度下依次为 0.0939、0.0845、0.1880、0.2331 和 0.2703,因此最长链路也对应最高的报告相位错误率。

这些是不同的量,不能互相替代。Q[mu,mu] 是信号强度对的探测增益,s11 是单光子计数率,ex 是相位错误率,R_MDI 是最终密钥率。论文的安全结论依赖它们的组合,而不是任何单个数字。

高斯拟合把实测漂移变成模型输入

安全分析需要描述制备态偏离标称值有多远。作者用高斯拟合刻画相位分布,给出每一侧四个相位设置的均值和标准差;例如标准差在 0.0143 到 0.0245 之间。他们对五个距离下的强度分布也做同样处理,列出信号、诱骗和更弱诱骗强度以及真空设置的均值和标准差。

强度均值接近标称值但并不完全相同,标准差相对均值很小。例如在 303.57 km,Alice 的信号强度均值为 0.199829,标准差为 0.000847。论文还报告了制备各强度对的概率,例如 Alice 一侧 (mu, o) 对的概率为 0.7574。

另有一项测量检查激光稳定性。作者用 50:50 分束器和经典光电探测器搭建拍频装置,在 30 分钟内每 0.1 秒记录两台独立自由运行激光器的频率差,并在其图 5 中给出所得频率差的范围。这刻画的是光源本身,而不是安全证明。

证明假设脉冲不相关且漂移有界

式 (12) 的算子占优条件依赖脉冲之间不存在相关性,例如图样效应带来的相关性。作者指出,用图样筛选配合交替密钥蒸馏,或对设置选择相关性使用参考技术,可以消除这类效应;他们同时说明,本文把独立同分布假设视为已保证。

式 (34) 的充分条件要求各强度集合之间满足若干关系,例如 mu > o 和 mu + o > nu + o'。在强度波动下,这些集合变成区间而非固定值。作者认为条件仍然合理,因为只有远离标称强度的一小部分态(在高斯模型下)会违反它们;如果系数的符号分析失效,他们建议预先优化强度。

讨论部分也点明了未覆盖的内容:编码与其他自由度相关,可能形成侧信道并破坏量子比特假设;邻近脉冲之间可能因图样效应、设置选择或相位产生相关性。作者把这些列为未来工作方向,而不是已解决的问题。

安全裕度比距离纪录更值得关注

论文中最具决策价值的比较不是 303.37 km 这个数字本身,而是在更多源缺陷下维持安全所付出的代价。作者报告,在约 250 km 处,其系统的密钥率与不考虑 SPU 的长距离 MDI-QKD 实验相近。换言之,在他们的比较中,额外建模编码、强度和真空缺陷并没有让该距离下的密钥率崩塌。

这一比较来自论文自身,说的是密钥率相近,而非完全相同。253.56 km 处报告的密钥率为 3.92E-9,读者应把约 250 km 的说法理解为作者跨实验的比较,而不是受控的正面测量对比。

实际含义是:算子占优框架让实现方在承认实测的、经高斯刻画的源漂移的同时,仍能保留可证明的密钥;代价是密钥率随距离急剧下降,且最长链路的相位错误率升至 0.2703。因此对部署者而言,关键阈值不是 300 km 能否达到,而是自己链路上的实测漂移是否落在安全证明所消费的建模分布之内。

本文引用的文献

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Experimental measurement-device-independent quantum key distribution with flawed state-preparation over 300 km

作者用算子占优不等式同时建模编码不确定性、强度波动和不完美真空态,报告在 303.37 km 标准单模光纤上实现安全密钥分发,密钥率为 6.26E-11。