Decoy-state quantum key distribution over 227 km with a frequency-converted telecom single-photon source

想象一下，你正试图在漆黑的森林里用手电筒向朋友发送一条秘密信息。如果你只是闪一下灯，一个狡猾的间谍可能会在你不察觉的情况下偷窥。但如果你的闪光方式能让间谍无法分辨他们看到的是真实的信息还是仅仅是一个信号呢？这就是量子密钥分发（QKD）这一领域的内核。这是一种让两个人创建出在数学上无法破解的秘密代码的方法，这要归功于量子物理学的奇妙规则。问题在于，用于发送这些信息的“手电筒”通常是不完美的。有时，光源不仅会发送一个微小的光子，还会意外地发送两个或三个。一个聪明的间谍可以偷走其中一个多余的光子，读取信息，然后让另一个继续通过，让发送者和接收者都毫无察觉。为了阻止这种情况，科学家们使用了一种被称为“诱骗态”（decoy state）的巧妙技巧，即混入一些虚假的、较弱的信号来捕捉间谍。但直到现在，这种技巧在非常特定的、“完美”的光源下效果最好，而这些光源很难制造。大问题一直是：我们能否使用实验室中现有的那些不完美、杂乱的光源，并且仍然能在很长的距离内发送秘密代码？

这篇论文说：“是的，我们可以。”研究小组构建了一个使用微型专用光源（量子点）的系统，这个光源并不完美，但他们成功地在 227 公里的光纤上发送了秘密密钥。这就像是在一个长隧道的一端向另一端发送秘密信息，尽管隧道如此长，以至于几乎所有的光都会在途中丢失。

以下是他们如何实现的，我们用一个关于面包师和狡猾小偷的故事来说明。

面包师与狡猾的小偷
想象一位面包师（爱丽丝）想要向一位顾客（鲍勃）发送秘密食谱。面包师有一个特殊的烤箱（量子点）来烘焙饼干（光子）。理想情况下，烤箱每批应该只烤出一块饼干。但有时，由于热量和烤箱的工作方式，它会意外地在一批中烤出两块或三块饼干。

一个狡猾的小偷（伊芙）正在监视送货卡车。如果面包师发送的一批中有三块饼干，小偷可以偷走一块，吃掉它以读取食谱，然后让另外两块继续运往顾客那里。顾客和面包师永远不会知道有一块饼干被偷走了。

为了阻止这一点，面包师使用了“诱骗”策略。她不仅仅发送不同种类的饼干批次；她发送三种类型的批次，但她告诉小偷它们从外面看都一样：

1. 信号批次： 含有少量饼干的批次（真实信息）。
2. 诱骗批次： 含有较少饼干的批次（陷阱）。
3. 真空批次： 一个空盒子（完全没有饼干）。

面包师会在这三种类型之间随机切换。如果小偷试图从“信号”批次中偷窃，他们可能会被抓到，因为面包师清楚地知道应该有多少饼干到达。通过比较每种类型到达的饼干数量，面包师和顾客可以估算出在旅途中至少有多少个单光子得以幸存。如果数字与安全线路预期的不符，他们就知道有人在偷窃，并会丢弃这条信息。诱骗批次并不一定会立即被抓获；相反，它们提供了所需的统计证据，用以证明线路是安全还是不安全的。

“真实”烤箱的问题
长期以来，这种“诱骗”技巧效果很好，但前提是面包师必须使用一种非常特定的、完美的烤箱（比如经过精心调暗的激光器）。然而，未来互联网最好的烤箱是这些“量子点”烤箱。它们微小、快速且高效，但有点“杂乱”。它们并不总是遵循完美烤箱那样的严格规则，科学家们此前并不确定这种诱骗技巧能否在长距离下与它们配合使用。

大型实验
论文中的研究人员决定测试这个“杂乱”的烤箱。他们构建了一个装置，其中的“面包师”（量子点）由一束特定颜色（942 nm）的激光激发来烘焙饼干。但由于这种颜色在长距离光纤电缆中很容易丢失，他们使用了一种特殊的晶体将饼干的颜色转换为“电信级”颜色（1550 nm），这种颜色在电缆中的传输效果更好，就像一辆超快速的送货卡车。

随后，他们将这些饼干通过 227 公里的光纤电缆发送出去。这是一个巨大的距离，相当于损失了 43.4 分贝的信号强度。为了确保小偷无法潜入，他们使用了一种动态方法来控制烤箱烘焙饼干的数量。他们并没有通过调低烤箱功率（这会浪费光），而是改变了照射到烤箱上的激光“脉冲面积”。这让他们能够完美地创造出三种不同的批次（信号、诱骗和真空）。

实验结果
实验取得了成功。即使使用这种“杂乱”的烤箱以及如此长的距离，他们仍能产生正向的秘密密钥率。这意味着他们成功创建了一个除了他们之外无人知晓的秘密代码。

以下是他们的发现：

• 距离： 他们在 227 公里 的光纤上实现了安全密钥传输。
• 对比： 如果不使用诱骗技巧，该系统会在大约 191 公里 处就失效。诱骗方法显著地延长了传输范围。
• 缺陷： 尽管他们的光源并不完美（具有微小的“多光子”噪声，意味着它有时会发送多个光子），但诱骗方法在捕捉小偷方面表现得非常出色，使得系统的表现几乎与使用理论上的完美光源时一样好。
• 现实世界的限制： 他们还观察了如果只有有限的时间发送消息（例如 20 分钟）时会发生什么。在这种现实场景下，诱骗方法仍然表现良好，在 209 公里 处仍能保持正向密钥率，而无诱骗方法在 190 公里 时就失败了。

为什么这很重要
这篇论文证明了我们不需要等待“完美”的光源来构建安全的量子互联网。只要我们使用正确的“诱骗”技巧，就可以使用我们目前拥有的不完美、真实的来源。这就像是证明了即使你的手电筒闪烁不定，你仍然可以在长峡谷中向朋友传递信号，而不让间谍识破你的代码。

作者们谨慎地指出，虽然这在实验室和模拟中可行，但现实世界的网络还有其他挑战，如探测器效率和噪声。然而，这项工作表明，“诱骗态”协议是一个强大的工具，可以让量子密钥分发变得更加实用和易于普及，从而允许我们在以前这类光源认为不可能实现的距离上发送秘密密钥。他们不仅仅是暗示这可能可行；他们进行了测量，数据表明确实可行。