在数字化的时代浪潮中，信息的安全传输已成为全球关注的核心议题。量子安全通信，作为现代信息技术的前沿领域，以其独特的量子力学特性，为无条件安全通信带来了希望。
量子密钥分发（QKD），作为量子通信的关键技术，能够在远程双方之间建立安全的密钥，为信息加密和身份认证等提供了坚实的基础。经过多年的发展，QKD在理论研究和实验探索方面都取得了显著的成果，然而，现实应用中设备的不完美性却成为了阻碍其迈向实用化的一大障碍。
在此背景下，5月6日，南京邮电大学的量子信息技术系和宽带无线通信与传感器网络技术国家重点实验室组成的研究团队在《Optica Quantum》期刊上发表题为”Efficient security analysis for quantum key distribution against side-channel leakage” （针对旁信道泄露的量子密钥分发高效安全分析）的研究论文，为提升量子通信的安全性提供了新的思路和方法。
在本文中，研究人员展示了利用HOM干涉来量化实际QKD协议中源缺陷以对抗侧信道泄漏的优势。经认证，该方法在多种重要QKD协议中表现出显著改进。例如在 BB84-QKD、MDI-QKD 和 TF-QKD 协议中，当 HOM 干涉可见度 V 为 0.4995 时，与之前方法相比，本文方法使传输距离至少增加了 100km。这得益于研究人员贡献了一种基于 HOM 干涉的改进型源监测方案，通过精确评估参数，克服了以往工作中安全界限较松的限制，从而在密钥率和传输距离方面实现了提升，代表了迈向 QKD 实际应用的关键一步。
量子安全通信的应用场景
在当今数字化时代，信息安全至关重要。传统加密技术依赖于计算复杂度，但随着计算能力的提升，尤其是量子计算技术的发展，传统加密面临着前所未有的破解风险。
QKD利用量子态的独特特性，如量子不可克隆定理和量子测量坍缩等，确保了密钥在传输过程中的安全性，任何窃听行为都无法在不被察觉的情况下获取密钥信息。同时，QKD 的无条件安全性为通信加密提供了坚实的后盾，可广泛应用于金融交易、军事通信、政府机密传输等对信息安全要求极高的领域，确保敏感信息在传输过程中的保密性和完整性。
尽管QKD在理论和实验方面都取得了显著进展，但理论上的无条件安全与实际应用中的安全性之间仍存在矛盾。测量设备无关量子密钥分发（MDI-QKD）协议虽然消除了检测端的漏洞，但仍受到PLOB界限的限制。而双场量子密钥分发（TF-QKD）协议虽然可以突破这一界限，但两种协议都对光源做了一定假设，使得它们容易受到旁信道信息窃取的影响。此前利用Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉来量化旁信道信息泄露的方法，存在安全边界宽松、性能低的问题。因此，深入探究更为高效精准的 QKD 安全性分析方法，成为推动 QKD 技术迈向实用化阶段的关键课题。
基于HOM干涉的源监测改进方案的设计过程
图：源检测模块的机制
来源：《Efficient security analysis for quantum key distribution against side-channel leakage》
基于以上背景，研究团队提出基于HOM干涉的源监测改进方案。
具体而言，首先构建了一个源监测模块，其工作流程如下：强光经过衰减器衰减后，由分束器（BS0）分为两束。一束作为信号脉冲（S），其强度会被随机调制为不同值（2ω），且以一定概率编码到不同基矢（ς）上；另一束则作为参考脉冲（R）。随后，信号脉冲和参考脉冲在 V-Test 模块中发生干涉，通过测量 HOM 干涉可见度来评估光源的性能。
理论上，论文详细推导了理想HOM 干涉可见度的计算公式，并充分考虑了实际中光源不稳定因素，如源端强度波动，对理想可见度的影响，进而对可见度进行归一化处理，使其更贴合实际应用场景。在此基础上，提出了利用迹距离来量化信息泄漏的新思路。迹距离用于衡量信号态和参考脉冲量子态之间的差异，差异越大意味着窃听者获取信息的可能性越高。
论文还深入分析了信号态和诱饵态之间的可区分性对安全性的影响。通过新的参数估计方法，对不同基矢和强度下的量子态可区分性参数∆ 和 Dµν 进行精准评估。例如，在计算不同基矢下的量子态可区分性时，构建了考虑非操作自由度张量积的量子态模型，并通过内积运算推导出 ∆ 的表达式，进而结合单光子产额的下限等参数，重新估计了单光子脉冲的相位错误率。
此外，论文结合可区分诱饵态方法和有限密钥分析，构建了一个更通用的安全性分析模型。有限密钥分析部分，采用Chernoff 界来计算实际实验中可测得的整体增益和量子比特错误率等参数的置信区间，从而更准确地评估密钥率。这一系列理论方法的提出，为后续的实验验证和实际应用奠定了坚实基础，也为 QKD 协议的安全性分析提供了全新的视角和更为精确的量化工具。
量子密钥分发的效率评估
为验证基于HOM干涉的QKD源监测方法的有效性及优势，研究团队精心设计了数值模拟实验。实验以源监测模块为核心，该模块配备激光二极管、衰减器等关键部件。信号脉冲经随机调制和编码后，与参考脉冲在 V-Test 模块中发生干涉，通过测量 HOM 干涉可见度实现源监测。
实验参数设置合理且全面，涵盖脉冲强度、量子态编码等关键因素，并充分考虑探测器暗计数率、误校准错误概率等实际环境因素，确保模拟实验贴近现实场景。模拟涵盖BB84-QKD、MDI-QKD 和 TF-QKD 三种主流协议，重点考察源端强度波动影响。通过记录不同 HOM 干涉可见度下的密钥率和传输距离，绘制图表直观展示新方法优势。
密钥率计算依据理论公式，结合单光子产额下限等参数，与以往方法对比，凸显新方法在提升密钥率和延长传输距离方面的卓越性能。整个实验方案设计严谨，逻辑清晰，为实际应用提供有力支撑。
图：实验中的参数
来源：《Efficient security analysis for quantum key distribution against side-channel leakage》
图：新方法和BB84 - QKD、MDI - QKD、TF - QKD的实验分析结果
来源：《Efficient security analysis for quantum key distribution against side-channel leakage》
量子密钥分发的未来展望
论文的研究成果在QKD领域取得了显著突破，为提升 QKD 协议的实际安全性提供了关键技术支持。
结果表明，所提方法相较于以往方法，在密钥率和传输距离上均实现了巨大提升。当HOM干涉可见度（V）较高时，如在完美情况 V 为 0.5 时，以及相对较高的 V = 0.4995 时，三种协议的密钥率和传输距离都呈现出大幅增长态势。以 TF-QKD 为例，当 V 分别为 0.4995、0.495 和 0.47 时，所提方法的传输距离相较于以往方法至少延长了 100km，这一成果在长距离量子通信应用中具有重要意义。
进一步分析不同方法下参数∆（不同基矢之间的可区分性）和 Dµν（不同强度量子态之间的迹距离）随可见度的变化情况，发现所提方法的优势更为凸显。随着可见度降低，以往方法中的 ∆ 和 Dµν 参数急剧上升，意味着信息泄漏风险大增，而所提方法中这两个参数增长缓慢，表明在源监测和安全性评估方面更为精准，能够更有效地抵御侧信道攻击，保障量子密钥分发的安全性。
此外，论文还研究了源端强度波动对协议性能的影响。当源端强度波动系数δ 为 3% 时，三种协议的传输距离均有所减少，这凸显了降低源端强度波动对于提升方案安全性的重要性，也为实际设备的研发和优化指明了方向。
未来，研究人员认为该项研究仍有进一步的拓展空间。例如，对于测量设备MDI-QKD协议和发送-不发送双场量子密钥分发（SNS TF-QKD）协议，假设两个发送端的源缺陷是相同的。同时，深入探究不同发送端源缺陷非对称情况下的协议性能，挖掘更精准的安全性分析方法。结合优势蒸馏、AOPP等前沿技术，有望进一步提升QKD协议性能，助力量子通信向长距离、高效能、高安全性方向发展。
参考链接
[1]https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-33-10-20588&id=570952