8月30日，由Walther Meißner研究所、慕尼黑工业大学、Rohde &Schwarz公司、RIKEN量子计算中心（RQC）、日本国立产业技术研究所、东京大学和慕尼黑量子科学与技术中心（MCQST）等单位组成的研究团队在实验微波QKD设置中展示了无条件安全性。相关论文以“Demonstration of microwave single-shot quantum key distribution”为题发表在《Nature Communications》上。
在论文中，该团队展示了一个基于传播位移压缩微波态的连续变量QKD（CV-QKD）协议的实验实现，并使用超导参数设备生成并单次检测这些状态。因此该团队在实验微波QKD设置中展示了无条件安全性。结果表明，通过在准备阶段添加有限的可信噪声，安全性能得到了改善。该团队的结果表明，当前技术下，安全的微波量子通信在开放空气（约80米）和低温环境（超过1000米）条件下是可行的。
研究背景
随着量子计算机的发展，传统加密方法可能因量子计算机的强大计算能力而变得不再安全。量子通信，特别是量子密钥分发（QKD），提供了一种基于量子力学原理的安全信息交换方法。微波量子通信因其与超导量子处理器和现代近距离通信标准的天然频率兼容性而在未来的量子网络中具有重要潜力。也就是说，微波量子通信技术之所以特别有前景，是因为它能够自然而然地与超导量子处理器以及现代短距离通信技术所使用的频率相匹配。这意味着它可以比较容易地融入现有的通信系统，并与量子计算机等设备协同工作。
实验方法与结论
研究团队设计了一种基于传播的位移压缩微波态的连续变量量子密钥分发（CV-QKD）协议。他们使用超导参数放大器（JPA）生成压缩态，并通过单次象限测量（SQM）进行检测。实验在低温环境中进行，通过模拟量子信道的损耗和噪声来测试系统的安全性。实验中，Alice（发送方）和Bob（接收方）利用压缩微波态编码和传输密钥，而Eve（潜在窃听者）则试图从量子信道中截获信息。
实验结果表明，即使在有限的密钥长度下，也能实现安全的量子通信。研究者们测量了在不同噪声水平下的密钥率，并与理论模型进行了比较。通过引入有限的可信噪声，提高了安全性性能。实验中，通过增加有限的可信噪声在密钥制备阶段，提高了安全性性能。实验还展示了在开放空气和低温条件下，利用现有技术实现安全微波量子通信的可行性。
实验成功演示了在低温和开放空气中实现安全微波量子通信的可能性。研究者们通过分析集体高斯攻击的情况，并计算了信息泄露的上限，证明了长距离通信的无条件安全性。此外，研究还考虑了有限密钥长度对安全性的影响，并提出了相应的解决方案。
研究者们讨论了微波QKD在实际应用中的潜力，尤其是在短距离开放空气通信中的应用。他们指出，通过增加码本大小、提高压缩水平和量子效率等方法可以提高系统性能。此外，通过技术改进，例如使用更好的频率滤波和额外的磁屏蔽，可以提高最终的密钥率和通信距离。这项研究为未来量子网络中微波QKD协议的实施提供了重要的实验依据，并为开发安全高效的量子通信技术铺平了道路。
团队先前的研究
该论文的作者之一K. G. Fedorov和他的研究小组一直致力于微波量子密钥分发的研究，在之前已取得了一些进展。
在去年，K. G. Fedorov及其研究小组经过不懈努力，研究了露天微波量子密钥分发的前景。相关研究成果已于2023年9月14日在国际知名学术期刊《Physical Review A》上发表。
量子通信的基础之一是在远程双方之间无条件安全地分发经典密钥。这一关键的量子技术特征是基于电磁波传播的量子特性，如纠缠和不可克隆定理。然而，众所周知，这些量子资源容易受到噪声和损耗的影响，这在露天通信场景中是普遍存在的。
该论文从理论上研究了在微波频率下连续变量露天量子密钥分发的前景。特别地，研究人员提出一个模型来描述传播微波与噪声环境的耦合。利用一种基于位移压缩态的协议，研究人员证明了在室温下，受总耦合噪声光子数的限制，具有传播微波的连续变量量子密钥分发可以无条件地保证约200米的通信距离。此外，他们还表明，在电信波长和不完美的天气条件下，微波可能潜在地优于传统的量子密钥分发。
此次进展为K. G. Fedorov团队在去年研究成果上的突破。在去年的基础上，今年K. G.Fedorov及其研究团队通过实验证明了在电信波长和不完美的天气条件下，微波可能潜在地优于传统的量子密钥分发。
通讯作者简介
KirillG. Fedorov和FlorianFesquet为本文的通讯作者。
KirillFedorov教授是德国慕尼黑量子计算和量子技术中心（MCQST）的研究员，主要从事量子信息科学和量子计算领域的研究。他在量子通信、量子密钥分发（QKD）以及量子计算的理论和实验方面拥有丰富的经验。Fedorov教授的研究重点包括微波量子通信、量子态的制备与测量，以及量子计算中的误差纠正技术。他在这些领域的工作有助于推动量子技术的实际应用，并促进量子网络和量子计算机的发展。
Fedorov教授的学术背景包括在多个国际顶级研究机构和大学的工作经验。他在量子技术的研究中，尤其是在量子密钥分发和量子态测量方面，取得了显著的成果。他的工作不仅增强了对量子信息传输的理解，也推动了量子计算技术的进步。此外，Fedorov教授积极参与跨学科的合作研究，致力于将理论研究转化为实际技术，为量子技术的未来发展奠定了坚实的基础。
FlorianFesquet是巴伐利亚科学院维尔Walther Meißner研究所的研究员，主要专注于量子光学和量子信息处理领域。他的研究涵盖量子态制备、量子测量技术以及量子通信等方面。Fesquet博士致力于开发和优化量子光学实验，探索新的量子态和量子测量方法，以推动量子信息科学的发展。
在加入WMI之前，Fesquet曾在多个国际知名研究机构从事研究工作。他在量子光学和量子信息领域的研究成果显著，并且积极参与相关领域的学术合作和技术创新。Fesquet博士的工作不仅推动了量子技术的理论研究，也促进了实验技术的发展，对量子通信和量子计算等应用领域具有重要影响。