近期集团量子信息团队在远距离模式配对-量子密钥分发研究方面取得重要进展，研究论文 "Mode-pairing quantum key distribution with advantage distillation"被《Physical Review A》杂志接收发表。该工作获得国家自然科学基金重点项目、面上项目、青年基金及广西相对论天体物理重点实验室开放课题、正规安全赌网自然科学与技术创新发展倍增计划等项目资助。

更远的通信距离一直是量子密钥分（QKD）所追求的目标之一。最近，一种新型的模式配对-量子密钥分发（MP-QKD）[Nat. Commum. 13, 3903 (2022); Phys. Rev. Lett. 130, 030801 (2023)]方案被提出，该方案不需要锁相技术，可以在不使用量子中继器的情况下实现远距离QKD，是未来远距离QKD的有力的备选协议之一。此外，MP-QKD的通信距离能否进一步提升仍是一个有待思考的问题。

本研究采用Advantage distillation方法进一步提升MP-QKD的通信距离，该方法的核心概念是把原始密钥分成几个比特的块，使相关性高的密钥能够与相关性弱的密钥区分开来，从而提取出高相关性的密钥。如图1（a-b）所示，在失配错误 的情况下，本研究方案的通信距离相较于原始MP-QKD方案提升了40 km；同时，该方案所能容忍的量子比特错误率几乎是原始MP-QKD方案的两倍。此外，如图2所示，在失配错误越大的情况下，该方案所能提升的通信距离相较于原始MP-QKD方案越远。该研究有效地促进了MP-QKD在高损耗、高失配错误的场景下的应用。

图1 假设失配错误 时，（a）所提出方案（MP-QKD-AD）与原始MP-QKD方案的性能对比结果，b值为分块数目；（b）所提出方案（MP-QKD-AD）与原始MP-QKD方案的最大容忍量子误码率对比结果。

图2 不同适配错误 对应的密钥速率与总传输距离的关系。

作者：刘馨（博士生）、罗迪（硕士生）、张振荣（教授）、韦克金（副教授，通信作者）

论文预印链接：https://doi.org/10.48550/arXiv.2304.03534