北京大学在经典兼容的数字化量子密钥分发中取得突破性进展
2023年3月24日，电子学院郭弘教授领导的北京大学-北京邮电大学联合研究团队在连续变量量子密钥分发研究方面取得突破性进展，完成了数字信号处理技术应用于连续变量量子密钥分发的安全性证明，该结果为构建兼容经典相干光通信信号处理算法的数字化量子密钥分发提供了有力的支撑。相关成果在线发表于自然出版社旗下的国际学术期刊npj quantum information。
论文截图
量子密钥分发（QKD）可为用户提供理论上具备信息论可证明安全的对称密钥。过去30多年，QKD技术快速发展、不断成熟，已逐步开始步入商用化网络建设阶段。在QKD技术中，连续变量量子密钥分发（CVQKD）的技术体系由于其系统构建可利用现有商用光通信器件，因此，在集成化方面更具演进潜力，可为城域QKD网络建设提供经济高效的更具现实性的解决方案。
自2015年本地本振CVQKD系统方案提出后，研究人员逐步引入经典相干光通信的先进数字处理（DSP）技术以提升CVQKD系统性能，促使CVQKD系统发展进入第三阶段：数字化CVQKD阶段。先进DSP技术的引入释放了CVQKD系统达成数十GHz带宽的潜力，但同时也引入了安全性证明的困难。
数字化CVQKD系统是在接收端进行相干探测后引入数字信号处理，其安全性分析的困难之处在于，超高速调制引入的频谱展宽现象将实际量子态从单模假设推向了连续模式光场情况，因此，单模光场假设已不满足传统CVQKD安全性分析，且DSP算法会进一步对探测结果的时域、频域特性进行修正，导致正则分量探测定义的复杂。
数字接收机模型
在该工作中，郭弘团队提出了一种基于连续模式量子光学理论来分析系统时域、频域特性以及线性DSP算法安全性的一般性方法。通过构建合理的归一化散粒噪声单位，来定义对应的连续模式光场，可将对连续模式系统的安全性分析等效约化到单模光场的情况，从而可以回归到当前安全性分析理论的适用范围，并完成安全性证明。此外，在系统性能方面，该工作也从如何提高系统效率方面为设计和优化DSP算法指明了方向。该工作为进一步设计、分析与经典光通信兼容的数字CVQKD系统奠定了重要基础。
该研究工作在郭弘领导下完成，北京大学电子学院助理研究员陈子扬博士为论文第一作者。共同研究人员还包括北京邮电大学喻松教授、王翔宇副教授以及华为技术有限公司的李政宇博士。该研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、信息光子学与光通信国家重点实验室基金等项目的支持。
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