基于光纤的量子密码方案的工作记录距离为421 公里，速度比以前的远程演示速度快得多。

图1：Boaron等人使用的方案草图。在421公里的记录距离上展示QKD。该装置使用超低损耗（ULL）光纤，具有高重复率（2.5 GHz）的电光系统，以及基于超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的低噪声检测单元。 

 保护数据安全是我们网络社会的一个重要方面。安全通信最有希望的方法之一是基于利用量子力学基本定律的加密技术。在量子密钥分发（QKD）中，两个通信方（Alice和Bob）使用光子以绝对安全性共享加密密钥，因为窃听者（Eve）无法在不被注意的情况下从光子中提取信息。QKD技术在过去十年中取得了迅速进展：QKD系统已经由银行和政府的测试，并在2010年南非世界杯上部署。2017年，研究人员利用量子卫星Mixius作为可信赖的中继，在中国和奥地利之间举办了受QKD保护的视频会议[1]。为了创造一种商业上可行的代替传统密码学的方法，研究的重点是使QKD更便宜，更实用，并致力于提高其范围和加密密钥的传输速率。现在日内瓦大学（the University of Geneva）的阿尔贝托·博阿龙（Alberto Boaron）及其同事报告了基于光纤的QKD的新距离记录(421 公里)[2]。虽然这与之前的记录( 404公里) [3]相比，距离略有改善，但新方案可以以更快的速度交换加密密钥——这是应用程序的一项重要资产。然而，之前的404公里方案涉及一种称为独立于测量设备的QKD（MDI-QKD）的版本，它提供了更高程度的实际安全性。

自第一次QKD传输到32厘米的光学平台[4]以来，扩展QKD的范围一直是主要的研究目标。一个主要障碍是大多数光子在到达接收器之前被散射或吸收。在标准光纤中，光子在50 公里后的存活率为10％，在200公里后几率仅0.01％。考虑到标准光学中继器不能继续再生量子信号，虽然这是毁灭性的，但量子中继器仍然超越了当今的技术范围。即便如此，QKD已被证明超过240公里[5]，307公里[6]，和现在421公里[2]的光纤[7]。这些结果之所以可能，是因为有具有超低损耗的光纤和高时钟速率的QKD系统。即使信号损失很大，如果每秒传输数十亿个光子，Bob检测器的计数率也会超过每秒一千个计数。另一个重要方法是降低探测器的噪声。如果噪声水平极低，信噪比（SNR）可以足够高，这可以允许Bob将他检测到的所有计数转换为最终密钥的安全位。Bob只需要等待足够长的时间来收获足够长的量子密钥。然而，探测器噪声仍然是一个重要的限制因素。热感应检测会导致误报，称为暗计数。由于信号随距离呈指数衰减，而探测器的暗计数保持不变，在某一距离，当SNR变得太小时，QKD系统的加密密钥传输速率或密钥速率会降到零。

瞄准探测器噪音是博阿龙(Boaron)及其同事成功背后的关键因素。Alice发送波长为1550 nm的脉冲传播通过数百公里的光纤，Bob使用内部制造的超导纳米线单光子探测器( SnSPDs )检测到了这些脉冲(图1 )。Alice发送的波长为1550 nm的脉冲传播通过数百公里的光纤，Bob使用内部制造的超导纳米线单光子探测器( SnSPDs )检测到了这些脉冲(图1 )。这些敏感器件中的每一个都由长超导纳米线制成，该纳米线以螺旋图案排列在平坦表面上。为了减少探测器中的暗计数，该团队将探测器冷却至0.8K，并使用冷却至40K的光纤滤波器切断与探测器相连的光纤的黑体辐射。这些措施将暗计数率降低到0.1 Hz，比市售的SNSPDs低约2个数量级。有了这些技术技巧，当预期有光子时，探测到暗计数的概率可以降低到10^(-11)。

由于探测器的暗计数很少，并且使用了超低损耗光纤，加上对耐损耗协议的修改[8]，该团队实现了光纤QKD迄今为止的最佳长距离性能。对于251至404公里的纤维长度，该计划实现的关键是速率比之前在相同距离上的演示高出100倍以上，并且在421公里的记录距离内保持正值。密钥速率的增加是由同一研究者最近开发的QKD设置提供的，具有QKD实验中曾经使用过的最高重复率（2.5 GHz）之一。研究人员还通过运行超过24小时来证明了系统的稳定性。

评估博阿龙等人的结果。和未来改进的前景，基于MDI - QKD将新的距离记录与以前的[3]进行比较是有用的，MDI - QKD是一种为克服QKD接收器的所有潜在安全漏洞而开发的技术。MDI-QKD涉及一个叫Charlie的第三方，他测量了Alice和Bob在通信信道中途发送的光子，并公开显示他的测量结果。即使不信任Charlie，他也不能窃取Alice和Bob的秘密钥匙。人们可以证明，MDI-QKD中的中间测量站的存在显着降低了由暗计数引起的噪声水平。这让我在2015年东京的一次会议上宣称，MDI - QKD可以达到比传统QKD更长的距离。在2016年进行的404公里MDI - QKD实验似乎支持了我的说法。但现在博阿龙(Boaron)和他的同事的工作再次挑战了这一点。那么，这两种协议中哪一种更有可能实现长距离？假设光纤的条件相同（超低损耗型），通过详细的分析[9]，表明这会是一场比赛。MDI - QKD理论表明，原则上，它在信噪比方面有优势，但实践中所需的复杂设置会破坏这一优势。而传统的QKD依赖于更简单的实现，可以具有更高的时钟速率和更好的检测效率。

必须强调的是，QKD和MDI-QKD之间的比较应包括对安全方面的全面分析。MDI-QKD提供了比QKD更强的安全保障，特别是针对Bob的探测器[10]和其他组件（如Boaron等人使用的分束器）的攻击，对于被动基础选择[11]来说。更重要的是，研究者的安全性分析仅限于‘集体’攻击，这不是最普遍的攻击类型[3,5]。新提出的“双场”QKD [12]可以提供一种可能的方式来进一步延长距离，同时保持与MDI - QKD相同的安全保证，它包含了QKD和MDI - QKD的最佳特性，却不会明显增加设置的复杂性。

最终，具体的应用将决定哪种方法能满足安全性，距离和密钥率方面的特定需求。最近的实验结果提供了引入注目的选择，潜在的用户实现可以在城域网中审查数字电话等应用。

References：

1. S.-K. Liao et al., “Satellite-relayed intercontinental quantum network,” Phys. Rev. Lett. 120, 030501 (2018).

2. A. Boaron et al., “Secure quantum key distribution over 421 km of optical fiber,” Phys. Rev. Lett. 121, 190502 (2018).

3. H.-L. Yin et al., “Measurement-device-independent quantum key distribution over a 404 km optical fiber,” Phys. Rev. Lett. 117, 190501 (2016).

4. C. H. Bennett, F. Bessette, G. Brassard, L. Salvail, and J. Smolin, “Experimental quantum cryptography,” J. Cryptol. 5, 3 (1992).

5. B. Fröhlich, M. Lucamarini, J. F. Dynes, L. C. Comandar, W. W.-S. Tam, A. Plews, A. W. Sharpe, Z. Yuan, and A. J. Shields, “Long-distance quantum key distribution secure against coherent attacks,” Optica 4, 163 (2017).

6. B. Korzh, C. C. W. Lim, R. Houlmann, N. Gisin, M. J. Li, D. Nolan, B. Sanguinetti, R. Thew, and H. Zbinden, “Provably secure and practical quantum key distribution over 307 km of optical fibre,” Nat. Photon. 9, 163 (2015).

7. For a proper comparison, it is worth mentioning that these studies employed different types of optical fibers with different attenuation coefficients α�: standard, α=0.2�=0.2 dB/km; low-loss, α=0.18�=0.18 dB/km; and ultralow-loss, α=0.16�=0.16 dB/km. When normalizing such distances to standard fibers, the corresponding distances of the above-mentioned experiments would be 216 km [5], 245.6 km [6], and 336.8 km [2].

8. K. Tamaki, M. Curty, G. Kato, H.-K. Lo, and K. Azuma, “Loss-tolerant quantum cryptography with imperfect sources,” Phys. Rev. A 90, 052314 (2014).

9. In QKD, the SNR scales linearly with the probability that a photon reaches the end of the fiber, while in MDI-QKD it scales with the square root of the same probability, thanks to the detection midway along the fiber link. This suggests that MDI-QKD should have better SNR than QKD at long distances. However, when we plug in the actual experimental parameters for a distance of 404 km, we find a SNR of 20,000 for the QKD setup of Ref. [2] and 2800 for the MDI-QKD setup of Ref. [3]. This advantage corresponds to an additional 53 km of ultralow-loss (ULL) fiber that can be added to the link, explaining the new distance record. This also shows that Boaron et al.’s setup could, in principle, reach 457 km of ULL fiber, but the authors decided to limit the acquisition time to 24 hours while delivering key rates larger than 1 kHz up to 250 km.

10. V. Makarov, A. Anisimov, and J. Skaar, “Effects of detector efficiency mismatch on security of quantum cryptosystems,” Phys. Rev. A 74, 022313 (2006).

11. H.-W. Li et al., “Attacking a practical quantum-key-distribution system with wavelength-dependent beam-splitter and multiwavelength sources,” Phys. Rev. A 84, 062308 (2011).

12. M. Lucamarini, Z. L. Yuan, J. F. Dynes, and A. J. Shields, “Overcoming the rate–distance limit of quantum key distribution without quantum repeaters,” Nature 557, 400 (2018).