南京大学物理学院陈增兵、尹华磊团队实现兼顾安全和实用的相干单向量子密钥分发

南京大学物理学院、固体微结构物理全国重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心陈增兵教授和中国人民大学物理学院、量子态构筑与测控教育部重点实验室尹华磊副教授团队提出并实验演示了信息理论安全的相干单向量子密钥分发（Coherent One-Way Quantum Key Distribution, COW-QKD）协议。该协议具有抵御源端边信道攻击潜力，安全传输距离可达100公里，兼具系统实用性与边信道安全性。

在量子通信领域，相干态光源凭借其实用性，长期以来是最常用的光源形式之一。然而，相干态方案会遭受光子数分离攻击，理论码率与传输距离大幅下降。为了解决该问题，研究者提出了多种应对策略，包括相位分布式参考类协议、诱骗态方法和非正交编码等。其中，诱骗态方法已成为实用 QKD 系统的标准技术，但是当考虑光源不完美等现实因素时，基于诱骗态的安全密钥率仍可能出现明显下降。COW-QKD 属于相位分布式参考思路下的代表性协议之一。该协议将逻辑比特编码至一对光脉冲的到达时间上，只需进行真空或非真空态调制。独特的编码规则简化了实验要求，显著降低了态制备的实验复杂度，推动了COW协议的广泛使用，已经发展出商业化产品 [IDQ, http://www.idquantique.com.]。COW 协议实现了 307 km 的传输距离，其密钥率可与 BB84 协议相媲美 [Nat. Photonics 9, 163 (2015)]。然而，由于其特殊的编码方式，该协议的安全性依赖于检测相邻脉冲之间相干性是否被破坏，因此只能抵抗特定类型的集体攻击。2020年，零错误攻击的提出进一步揭示了该安全框架的缺陷，并指出先前方案高估了实际密钥率与传输距离 [Phys. Rev. Lett. 125, 260510 (2020)]。例如，曾认为文献 [Nat. Photonics 9, 163 (2015)] 在203 km的生成的密钥是安全的，但实际上攻击者在距离仅为 L=38 km时就能实施零错误攻击。目前尚缺乏能够相干攻击模型下保证安全性的 COW-QKD实现。

陈增兵-尹华磊团队提出并实验演示了一种有限密钥条件下信息理论安全COW-QKD协议，该协议能够抵抗零错误攻击，并具有抵抗源端的边信道攻击潜力，其安全性通过估计等效虚拟纠缠协议中相位误码率的上界来保证。本方案沿用原有 COW-QKD 的结构设计，无需引入额外实验要求。由于量子态调制仅涉及真空态与非真空态两种状态，相比传统诱骗态协议，该方案在抵御源端边信道攻击方面体现出更突出的安全优势。同时，协议对量子态制备的实验要求较低，天然适合光子芯片集成，有望进一步实现发送端模块的集成化与小型化。实验在超低损耗光纤上实现了25、50、75 与100 km的安全密钥分发。其中，在100 km 链路上获得约29 bps的安全密钥率；在50 km的城域尺度下，安全密钥率可达kbps 量级，足以支持在城域网络范围内开展实时安全语音通信（见图1）。在100 km光纤链路情况下，干涉可见度在 2000 秒的时间尺度内可保持在约 99%，同时在忽略暗计数影响的情况下，Z基矢的比特错误率可维持在0.2%以下。团队还利用100 km光纤链路生成的密钥，完成了“国际量子科学技术年”图标的加密传输与解密演示，保护了信息传输过程的机密性，验证了系统在真实业务场景中的可用性。

本工作回应了一个长期未解决的问题：COW 协议能否在具备实用性和安全性的条件下实现。该协议仅需简单的电光调制，并且天然适合高频运行。随着系统重复频率的进一步提升，在短距离范围内有望实现每秒兆比特量级的密钥率。此外，该协议所涉及的大多数器件已能够借助成熟的光子集成技术实现集成化。随着集成光子学的发展，COW-QKD 的系统成本与整体性能预计将进一步优化。本工作表明，在关闭关键安全漏洞之后，COW-QKD 仍具有重要的实用价值，并凸显了其在未来小范围量子网络部署中的应用潜力。

图1 实验装置与系统表现

相关研究成果以“Experimental coherent one-way quantum key distribution with simplicity and practical security”为题发表在《科学进展》[Sci. Adv. 12, eaec2776 (2026)]上。南京大学博士后曹啸宇和博士生孙晓冉为论文共同第一作者，中国人民大学尹华磊副教授和南京大学陈增兵教授为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费和中国人民大学科学研究基金的支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec2776