近日，我院王荣博士与中国科学技术大学、香港大学等合作团队，围绕量子失协（Quantum Discord, QD）在量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）中的核心作用开展了系统性研究，从基础理论、资源探测到协议设计与实验验证取得系列突破。相关成果分别发表于《Physical Review Applied》《Communications Physics》和《Science China Information Sciences》。
量子失协是衡量量子态中非经典关联的重要度量，即使在没有纠缠的可分离态中也可能存在。自2001年提出以来，QD已被证实在量子计算、远程态制备、量子计量等任务中具有重要作用，但其在QKD安全性分析中的直接应用长期面临理论与实验两方面的挑战。针对这一问题，王荣博士团队从三个层面展开攻关。
在QD探测方法层面：团队提出了一种仅需2×2测量即可见证任意维度双体系统QD的非线性见证方法，相关论文以题为“Quantum discord witness with uncharacterized devices”发表于物理学权威期刊《Physical Review Applied》。该方法基于制备-测量场景，仅要求源与测量设备独立、系统维度已知以及各轮实验独立同分布。理论证明表明，对于任意零失协态，探测值恒为零；对于任意两量子比特态，当双方执行相互正交基测量时，探测值达到最大。更为重要的是，该探测值对设备误差呈线性响应，表明其对实际器件的不完美具有天然的鲁棒性。这一工作为在未表征设备条件下可靠检测QD提供了可行途径。
图1:量子失协的探测示意图
在QD的保密性理论，协议设计和实验实现层面：团队严格证明了QD在QKD中的核心地位，相关论文以题为“Witnessing quantum discord for secure quantum key distribution”发表于物理学权威期刊《Communications Physics》。在基于纠缠的协议框架下，若观测统计量为联合概率分布且Alice的测量结果数等于其约化密度矩阵维度，则Alice原始密钥关于窃听者辅助系统的条件熵恰好等于QD。这意味着QD是保密性所需的最小必要资源。基于这一理论突破，团队提出了“失协基QKD”（DB-QKD）协议，仅需三态制备与两种测量，通过观测到的误码率构造QD探测值，并给出密钥率下界。该协议无需完美刻画态制备和测量，很大程度上缓解对实际设备的要求。此外，该协议对参考系旋转具有天然免疫性，理论容忍误码率可达50%，远超标准BB84协议。
图2:基于量子失协的量子密钥分发实验装置图
在协议设计层面，团队进一步提出了完全参考系无关（fully reference frame independent，FRFI） QKD协议，相关论文以题为“From quantum discord to fully reference-frame-independent quantum key distribution”发表于信息科学领域权威期刊《Science China Information Sciences》。传统RFI-QKD假设密钥生成基已良好校准，仅测试基存在慢漂移。FRFI-QKD通过构造3×3关联张量矩阵，并利用其奇异值在参考系旋转下的不变性，结合QD，推导出渐近密钥率公式。仿真表明，即使密钥生成基严重失准（如θ = 3π/8），FRFI-QKD仍能生成可观的密钥率，而传统RFI-QKD已无法产生任何正密钥。当密钥生成基完美校准时，FRFI-QKD自动退化为RFI-QKD，表现出良好的兼容性。
图3:QKD协议参考系飘移示意图
上述系列成果由我校与中国科学技术大学、香港大学、中国工程物理研究院等单位合作完成。杭州电子科技大学网络空间安全学院是第一完成单位以及共同通讯单位，王荣博士是（共同）第一作者和（共同）通讯作者。
《Physical Review Applied》是美国物理学会旗下应用物理领域权威期刊，中科院二区期刊。《Communications Physics》是Nature Portfolio旗下权威物理学期刊，中科院一区TOP期刊。《Science China Information Sciences》是中国科学院主管、中国科学院信息技术科学部主办的综合性学术期刊，中科院一区TOP期刊，CCF-A类期刊。
