近日，浙江大学湖州研究院量子科技团队联合中科院空天信息创新研究院在量子密钥分发实用化方面取得重要进展。团队提出一种基于量子态的新型连续变量量子密钥分发帧同步方案并进行了性能分析，为进一步提高量子密钥分发的实用化提供了新思路。该成果于2023年12月6日发表在国际学术期刊《Optics Express》[Optics Express 31(26), 43163-43177 (2023)]，浙江大学湖州研究院为通信作者单位，团队成员赵义博为通信作者。
随着量子加密技术的不断发展，量子密钥分发系统（QKD）变得越来越重要。在 QKD 中，正确的同步是提取安全密钥的基石。同步算法通常包括位同步和帧同步，用于解决信号中采样点的正确识别和数据信号起始位的正确识别等问题。然而，由于量子信号强度微弱，接收端的信号信噪比低，从而导致信号同步成为 QKD 系统中的一个难题。
对于连续变量量子密钥分发（CVQKD）系统来说，同步是最基本的要求。在连续变量量子密钥分发过程中，从量子态接收到密钥协商，保密放大等后处理过程，需要正确的帧同步，否则难以保证获取正确密钥，因此帧同步过程极其重要。另外，量子态在信道中传输的过程中会存在相位漂移，使得探测结果增加非线性噪声，导致数据误码增大。传统帧同步方案是通过插入预先设置的同步帧，即在量子信号前添加一段设计好的强光同步信号，接收端能够以较高的信噪比来获取同步信号。如果同步帧结构过于简单，则无法克服相位漂移带来的影响，导致同步效果急速劣化。而复杂的同步帧结构可以有效应对相位漂移，但是会增加系统调制难度和同步效率。目前，几乎所有的帧同步方案需要对同步帧信号进行额外的调制，增加系统的复杂度和成本。
为解决上述问题，研究院的科研研究人员提出了一种无需调制的 CVQKD 帧同步方案，发送端通过公布少量的量子态，接收端利用量子态的高斯分布特性，通过构造的两组发送序列与公布的量子态进行互相关计算，即可完成帧同步，在极低信噪比和任意相位漂移情况下均具有较高的同步成功率此外，这种新的同步方案在不增加量子密钥分发系统复杂性并且不降低量子信号的占空比的情况下，可以克服传统调制方案的缺点。该研究成果还具有较为广泛的适应性，不仅能够应用于随路本振方案，还能够应用于本地本振方案。本研究工作可为 CVQKD 系统的应用提供更好的解决方案，提高系统的可靠性和安全性，为推动QKD的实用化有重要的意义。
在论文中研究人员详细分析了连续变量极弱信号的噪声起伏，由于信号强度极弱，每几百甚至几千个脉冲中才可能含有一个光子，传统光通信系统中普遍使用的时钟同步方法，包括直接法、插入导频法或自同步法都不适用。但研究人员找到了极微弱信号涨落和相漂的数学统计关系，并设计出一套方案来充分利用量子涨落的统计特性来处理实现帧同步和时钟同步，同时对接受端自适应纠偏。具体过程如下：
(1) 发射端从制备的量子态中随机选择长度为 L 的部分作为同步帧，并将相应的序列 通过经过认证的经典信道公布给接受端。
(2) 接受端从量子信号的测量结果的第 𝑖 位开始，选取 L 个连续的元素，估计出快速相位漂移序列 𝜃̂ 。
(3) 接受端根据 𝜃̂ 对接收到的序列进行相位旋转并估计互相关值。
(4) 接受端将接收到的数据向后移位并重复计算上述互相关值，并找出极大值。
(5) 接受端将相关操作的峰值与预定的阈值进行比较，当超过预定阈值时判定完成帧同步，使收发数据对齐。
本方案用于执行帧同步时公布的量子态也可用于相位补偿和参数估计。
该研究成果表明连续变量量子通信双方不再需要专门调制并发射同步编码，可以使得连续变量量子密钥分发协议的工程实现难度降低，也可以提高信号发射效率，具有较好的工程实用价值，除了连续变量量子通信外，该成果还对极弱光通信有效，特别是在信道衰减极大的情况下，收到的各类光脉冲会极弱，同步信号同样极其微弱，原有的光通信同步方法均会失效，但利用该论文方案我们也可以实现极弱光通信同步，解决高衰减信道难同步的难题！
论文链接：Robust frame synchronization for continuous-variable quantum key distribution with coherent states (optica.org)
