一种简单又安全的单向量子密钥通信实验

量子通信旨在为各类通信任务提供信息论安全性，其中量子密钥分发（QKD）是最成熟的子领域之一，能为双方提供无条件安全的密钥共享。早期QKD依赖单光子或纠缠光子源，后来相干态光源因其实用优势被广泛采用，但最初的相干态方案易受光子数分裂攻击。诱饵态方法虽解决了这一问题，却因设备缺陷面临侧信道攻击，导致安全密钥率大幅下降。

分布相位参考方案是另一种抵抗光子数分裂攻击的方法，相干单向（COW）QKD便是该类中的核心协议。它通过一对光脉冲（真空态或非真空态）的到达时间对逻辑比特进行编码，实验 setup 简单，因此被广泛应用。由于真空态无侧信道，COW方案本应更能抵御源端侧信道攻击，但早期COW-QKD的安全性基于特定的集体攻击模型，而零误差攻击的提出使其安全框架失效，且以往实验要么无法抵抗零误差攻击，要么缺乏有限码长分析。

本研究提出并实验验证了一种具有信息论安全性的COW-QKD协议，可同时抵抗源端侧信道攻击和相干攻击，传输距离覆盖25、50、75和100公里。在100公里光纤传输中，安全密钥率达到29比特/秒；50公里处则达到千比特/秒量级，足以满足城域网络的实时保密语音通信需求。研究还利用100公里链路生成的安全密钥，对一个6.13千字节的标志进行加密传输并成功解密，验证了其信息论安全通信能力。

该方案保留了原始COW协议的简单实验结构，与现有量子网络基础设施完全兼容，且适合光子集成。通过成熟的光子技术，可进一步降低成本、提升相位稳定性、减少插入损耗并提高重复频率。这项工作解决了COW-QKD长期存在的实用安全问题，证明其在兼顾简易性和安全性的同时，有望成为未来量子网络架构中特定应用场景的重要补充。