量子密钥分发（QKD）利用量子物理的特点，可以在远程用户之间产生安全的密钥。自从1984年第一个QKD协议BB84被提出以来，人们一直致力于在光纤和自由空间中实现安全的QKD会话。一般来说，大多数QKD协议需要合法用户共享一个参考帧，根据系统编码方法，参考帧可以是初始偏振或相位。当对参考帧的干扰过大时，校准过程将引入额外的成分，甚至导致QKD会话失败。独立参考帧（RFI）QKD可以解决该问题。RFI协议的出发点是在抗环境干扰的基础上对信息进行编码。根据它们所使用的量子态将当前的工作分为三类。第一种方法是利用在单量子旋转不变条件下的多量子纠缠态。该方法在准备和操纵纠缠的多光子态方面存在技术挑战，并且其性能易受信道损失的影响。第二种类型的RFI QKD的是处理三个相互无偏基的量子位。两个基用于估计窃听者的信息，在干扰下不变的第三个基用于生成安全密钥。尽管该方法对原始系统进行了微小的修改，但它仅在处理参考帧的缓慢漂移时有效。最后一种解决方案是利用单个粒子的多自由度组合来获得旋转不变的光子态。D'Ambrosio等人使用纠缠光子自旋角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）本征态的混合编码，实现了这种RFI QKD的第一次原理验证实验。在实验中，q玻片是将光子的偏振态映射到混合偏振OAM态的重要器件。然后，Vallone等人实现了210m距离上基于旋转不变光子的RFI BB84 QKD系统，为实际应用迈出了重要的一步。然而，由于其复杂性和潜在的安全问题，多激光发射机的设置不是最佳选择。

图1 实验装置示意图。LD，激光二极管；IM，强度调制器；PC，偏振控制器；C，环行器；PBS，偏振分束器；PM，相位调制器；ATT，衰减器；DWDM，密集波分复用；COL，准直器；QP，Q玻片；PD，光子二极管；SPD，单光子探测器。

近日中国科技大学和密码学国家重点实验室的科学家利用光子的偏振态和轨道角动量进行联合编码，设计并实验验证了RFI -QKD系统来执行BB84协议。科学家使用基于光纤的Sagnac干涉仪随机调制光子的偏振到BB84协议的四种状态。从光纤干涉仪中出来的光子是自由空间耦合到一个q板上，被动地产生旋转不变的光子态。在一个1米的自由空间信道中对系统进行了研究，在光学平台上的信道损耗为4.9分贝。系统的时钟频率为100 MHz，后处理是实时执行的。在12小时自由运行测试期间，系统的平均量子误码率（QBER）约为2％，并且实现了约47kbps的平均安全密钥率（SKR）。系统的QBER在电机主动旋转接收机的情况下仍保持稳定，验证了QKD系统对参考帧漂移的鲁棒性。由于系统的主动调制可以用现成的光纤器件来实现，并且混合态是用q玻片被动产生的，因此该方案有望支持高达GHz的更高的工作速率，是一种很有前途的移动QKD会话解决方案。实验系统的设置如图1所示，使用增益切换分布式反馈（DFB）激光器（LD1）产生波长为1549.32nm的相位随机光脉冲。光脉冲的重复率和半峰全宽（FWHM）分别为100MHz和150ps。强度调制器（IM）连接到LD1根据诱骗态方法的要求，将光脉冲的功率随机调制到三个电平。当光子进入下面的Sagnac干涉仪时，使用偏振控制器（PC1）将光子保持在45°线性偏振态。对偏振态进行偏振调制的干涉仪由偏振分束器（PBS1）和相位调制器（PM1）组成，两者通过保偏光纤（PMF）连接。PBS1将输入光子分成水平和垂直部分，它们分别在干涉仪中顺时针（CW）和逆时针（CCW）传播。光子的45°偏振确保了两个部分的功率相等。而且，相位调制器的轴应该与光子的偏振对准以有效地工作。使用质子交换LiNbO3铌酸锂相位调制器（PM1）对光子的水平和垂直部分之间的相对相位进行高速电光调制。这个过程本质上改变了光子的偏振态。从干涉仪中射出的光子由光学环行器引导至输出路径，从而确保光脉冲不会返回激光。利用可变光衰减器（ATT）将光脉冲功率调节到单光子水平。利用密集波分复用（DWDM）器件，将LD1的量子信号光脉冲与波长为1550.92nm的LD2的同步脉冲结合起来。使用准直器将从密集波分复用器中射出的光耦合到自由空间，然后输入到q玻片以产生如下旋转不变光子，通过自由空间信道传输到Bob，再利用DWDM把量子信号和同步信号分离。值得一提的是，QKD接收机中的偏振控制器作为解码的酉变换，而不是对齐Alice和Bob之间的参考帧。当Alice和Bob随机调制的相位差为π时，SPD1原则上100%有响应；当Alice和Bob随机调制的相位差为π/2时，SPD1和SPD2有50%的概率有响应。在实验中使用三强度诱骗态方法。信号和诱骗态脉冲的强度（记为decoy1）分别为约0.6和0.2光子/脉冲。第二诱骗态脉冲的强度（记为decoy2）被调制到尽可能接近真空状态，其实际强度约为0.0056光子/脉冲，受强度调制器的消光比限制。信号、decoy1和decoy2脉冲的发送概率的比率分别为14：1：1。

图2 12小时以上的信号、诱骗态和真空态的QBER。插图是信号状态的QBER频率直方图

连续运行12小时实验中测试了该QKD系统的性能。发射器和接收器放置在光学平台上构成了自由空间信道为1米的链路。自由空间信道的损耗约为4.9 dB，包括0.93 dB 以及从自由空间到光纤通道的3.98 dB耦合损耗。两个SPD在Geiger模式下工作，检测效率约为10％，门控宽度为1 ns。暗计数约为200 Hz，后脉冲概率小于每次1.5％。在Bob中插入光纤元件约为6.94 dB。在12小时内记录的信号QBER和两个诱骗态如图2所示。信号、诱骗态和真空态的相应产率以及实时生成的安全密钥率如图3所示。图中的每个点都是10秒内收集的平均结果。平均QBER约为2％，三倍标准偏差为0.23％，平均密钥速率约为47 kbps。

图3 12小时以上QKD的产率和安全密钥率的测试。

该方案的优越性在于Alice和Bob之间的参考帧可以自我校准。参考帧独立（RFI）方案可以容忍合法远程用户之间的参考帧漂移，这在诸如卫星和飞机的相对移动终端的操作中具有重要意义。

来源： Optics Letters

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