在数字化时代，信息安全成为了全球关注的焦点，量子通信技术以其无条件安全的通信方式，为信息安全领域带来了新的曙光。量子密钥分发（QKD）作为量子通信的核心技术，利用量子态的不可克隆性和量子纠缠的特性，实现了理论上无法被窃听和破译的密钥分发。
近年来，QKD技术取得了显著进展，但仍面临诸多挑战，尤其是在实际应用中的传输距离和密钥率受限，以及在移动场景中的部署难题。传统QKD协议依赖于单光子传输，这在实际网络中易受光子损耗和噪声干扰，限制了其大规模应用。
在此背景下，5月27日，由美国肯尼索州立大学计算机科学系、肯尼索州立大学计算机科学系以及内布拉斯加大学奥马哈分校计算机科学系组成的研究团队，在arXiv平台上发表题为“Multi-photon QKD for Practical Quantum Networks”（面向实用量子网络的多光子量子密钥分发），Nitin Jha为第一作者。
在本文中，研究人员展示了多光子量子密钥分发（QKD）协议在构建实用量子网络方面的优势。通过比较三阶段QKD协议与传统QKD协议的效率，分析其在不同网络拓扑和条件下的表现，发现三阶段协议在多光子容忍度方面表现出色，能够在不依赖单光子传输的情况下实现安全通信。同时，研究人员提出了一种数学模型，建立了可实现密钥率与传输距离之间的关系，以增加各种拓扑中的传输距离。
这些成果得益于研究人员在多光子QKD协议研究中的创新方法。研究人员模拟了基于多种实际网络参数的量子网络，如衰减系数和噪声参数等，以评估不同QKD协议的性能。同时，他们还深入分析了多光子爆发对协议性能的影响，并探讨了不同网络拓扑对QKD协议效率的影响，为优化量子网络设计提供了关键洞察。
结果表明，利用多光子QKD协议在不同网络拓扑中具有显著优势，特别是在提高密钥率和稳定传输距离方面。三阶段协议在短距离内展现出较高的密钥率，而E91协议在长距离通信中更具效率。此外，研究人员还发现，通过调整多光子爆发规模，可以在一定程度上优化通信效率，这为实用量子网络的构建提供了新的思路和方法。
研究背景
量子信息理论近几十年发展迅猛，推动计算、网络与传感技术革新。量子网络在特定硬件配置下能提升通信安全性，是未来量子互联网的关键组件。
QKD作为保障网络安全的核心技术，利用量子物理原理实现无条件安全通信，抵御窃听。当前QKD实践面临诸多挑战，包括PNS攻击、硬件不一致性、Bell不等式测试漏洞等。实际应用中，光学开关与可信节点的局限性影响网络鲁棒性与覆盖范围。
传统方法试图管理多光子爆发，但依赖丢弃多光子爆发并使用单光子，这阻碍QKD与经典网络融合。因此，探索不依赖单光子传输的多光子QKD协议，如三阶段协议，对提升QKD实用性至关重要。
图：不同集成QKD系统示例。其中，图a展示了一个使用InP发射机的集成光子设备，适用于多种QKD协议；图b展示了集成MDI-QKD系统，包含片上DBR激光器、马赫-曾德尔干涉仪和纳米线单光子探测器；图c展示了QKD接收芯片的扫描电子显微镜图像，具备光学耦合器、波导、分裂器、光延迟线和纳米线单光子探测器；图d展示了四通道时间-二进制QKD接收芯片的扫描电子显微镜图像。
来源：《Nanowire-based Integrated Photonics for Quantum Information and Quantum Sensing》
理论方法
研究聚焦三种QKD协议：诱骗态协议、三阶段协议与E91协议。
诱骗态协议通过随机光子爆发抵御PNS攻击，利用弱相干脉冲，变化光子爆发强度并借助统计分析检测入侵行为。
三阶段协议借鉴经典双重加密技术，Alice先用正交量子态编码密钥或消息，双方施加可交换的密钥单元操作。该协议可容忍多光子爆发，通过为每个经典比特编码多个量子比特，所有量子比特在同一全局基矢下准备，实现直接消息传输。
图：三阶段协议的工作原理示意图
E91协议则是基于纠缠的协议，借助量子中继器实现纠缠分发，Alice和Bob在后处理中仅保留两端各一个光子的巧合事件，其余多光子巧合事件视为擦除，使其在长距离通信中更具效率。
在多光子传输安全风险分析方面，基于泊松分布定义找到n−相干光子的概率，分析Eve两种主要窃听策略。
第一种策略下，Eve截获并分析Alice发送的所有光子，再通过附近光源向Bob传递看似真实的量子态；
第二种策略中，Eve利用分束器从每个脉冲提取部分光子，同时降低线路损耗。这两种策略下，Alice与Eve的互信息与QBER及量子态相干性紧密相关，影响密钥率和稳定传输距离。
当前设备因探测器噪声高，导致长距离传输QBER高，大幅缩短稳定传输最大距离。通过模拟不同网络拓扑下QKD协议性能，对比线性、星型、环形、网格与环面拓扑等基本拓扑，发现不同拓扑对QKD协议性能有显著影响。
图：不同网络拓扑结构示意图
实验方案
本研究基于Matlab开发网络模拟器，模拟量子网络中各节点间的连接与通信。模拟器通过模拟光纤电缆实现节点间连接，传输概率由公式P(L)=10^(-αL/10)给出，其中L为光纤长度，α为光纤的衰减系数，研究中默认α=0.15km^-1。
图：量子中继器的工作原理示意图
网络中包含多种类型节点，其中可信节点（如Alice和Bob）至关重要，它们通过可行路径连接，将成功传输的量子比特存储在原始密钥池中。为实现节点间点对点连接，模拟器整合光学开关，但其性能会随使用而下降。同时，利用E91协议模拟量子中继器，不同于经典中继器，量子中继器借助纠缠与纠缠交换拓展通信范围，遵循量子力学的不可克隆原理。研究中通过模拟五个并行的贝尔态传输提高纠缠交换效率。
在QKD协议模拟中，传输通过量子中继器或直接光纤电缆完成。进行10^5至10^6轮QKD后，模拟错误纠正，考虑环境噪声导致的退相干值D=0.02。识别错误量子比特，计算错误率Q，并执行错误纠正，以二元熵函数和原始密钥率R计算最终密钥池Ki,j大小。可信节点通过XOR操作交换密钥材料，整体密钥率以密钥比特/秒为单位，衡量QKD协议效率。
图：环面拓扑的示意图
研究还模拟环面拓扑，生成3D网络拓扑，其连接逻辑类似于传统网格拓扑的3D包裹连接。通过对比不同拓扑下各协议性能，深入分析多光子爆发对协议的影响，建立数学模型量化密钥率与传输距离关系，以及稳定传输距离与多光子爆发规模的关联。通过模拟不同规模的多光子爆发，研究其在三阶段协议中的性能表现，分析不同拓扑下各协议优势与局限，为实用量子网络设计提供关键洞察。
研究成果
研究首先考察直接拓扑下不同QKD协议性能，发现使用量子中继器的E91协议显著提升稳定传输距离，三阶段协议在短距离内密钥率高，但随距离增加密钥率急剧下降，诱骗态协议因真空位占带宽，有效量子比特减少，密钥率最低。
图：不同QKD协议在直接拓扑下的性能比较
在不同拓扑下，网格拓扑因多路径和可信节点，为三阶段协议提供更高密钥率；环面拓扑因多路径且最短路径长，预期比网格拓扑更高密钥率，三阶段协议密钥率超E91协议近1.5倍，E91协议稳定传输距离更长。
图：三阶段协议和E91协议在环面拓扑下的性能比较
诱骗态协议在网格拓扑中表现最佳，因其多路径和多可信节点，短距离内星型拓扑密钥率高，但因光学开关增加衰减，长距离密钥率下降快。E91协议在网格拓扑中因多路径和量子中继器，密钥率衰减慢；环形拓扑在极短距离内因量子中继器少，密钥率高，但易受纠缠交换失败影响；星型拓扑借助中央量子中继器，效率接近直接线性拓扑。
图：最大稳定传输距离与多光子爆发规模的关系（3阶多项式拟合）
图：最大稳定传输距离与多光子爆发规模的关系（高达10^6量子比特的爆发规模）
图：最大稳定传输距离与多光子爆发规模的对数-3阶多项式关系
多光子爆发分析表明，增大三阶段协议的多光子爆发规模可提升短距离密钥率，但增加PNS攻击风险。通过SavGol滤波器平滑曲线并用指数衰减函数拟合，发现多光子爆发规模与稳定传输距离呈对数-三阶多项式关系。以线性拓扑为例，建立稳定传输距离与多光子爆发规模的通用关系模型，解释超99%方差，拟合优度高。这些成果为实用量子网络设计提供重要参考，强调依节点间距定制多光子爆发规模，以优化通信效率。
创新点
本研究的创新亮点主要集中在多光子量子密钥分发（QKD）协议的深入研究与实践探索。研究团队通过一系列创新性的研究工作，为实用量子网络的发展提供了重要的技术支持和理论指导。以下是本研究的主要创新点：
首先，对多光子QKD协议在不同拓扑下的性能进行全面对比分析，揭示各协议优势与局限，为实际量子网络构建提供实证依据。
其次，构建数学模型，量化多光子爆发规模与稳定传输距离关系，为优化QKD协议性能提供理论工具。
再次，提出在实际量子网络中，依据节点间距定制多光子爆发规模，以提升通信效率的创新思路。
此外，拓展对多光子设备行为的理解，为多载波连续变量QKD（CVQKD）系统应用奠定基础。最后，提出构建量子增强网络的理念，将量子组件如量子隐形传态、QKD、量子纠错等与经典网络融合，助力大规模量子安全通信发展。
综上所述，本研究的创新亮点不仅在于对多光子QKD协议的深入研究和优化，还在于其对量子网络实用化和大规模部署的前瞻性思考。这些创新成果为实用量子网络迈向更高效、可靠、可扩展的未来提供了关键技术支持与理论指导，有望推动量子安全通信技术在全球范围内的广泛应用和发展。
参考链接
[1]https://arxiv.org/html/2505.21726v1
[2]https://arxiv.org/abs/2307.09178