量子网络中测量无设备依赖的连续变量纠缠见证技术实现与应用

《Light-Science & Applications》：Measurement-device-independent continuous variable entanglement witness in a quantum network

针对量子网络中传统纠缠见证(EW)方法易受测量设备攻击的安全隐患，研究人员开展了测量无设备依赖纠缠见证(MDIEW)主题研究。通过四波混频(FWM)制备四对EPR纠缠态，在四用户量子网络中验证了MDIEW方法可抵御本地振荡器(LO)强度攻击，准确识别纠缠态。该成果为构建安全量子网络提供了可靠技术支撑。

　　

在量子信息技术的飞速发展中，量子网络被视为实现安全通信和分布式量子计算的核心基础设施。然而，传统纠缠检测方法面临严峻挑战——当测量设备被恶意操控时，纠缠见证(Entanglement Witness, EW)过程可能产生误判，将本不纠缠的量子态错误认定为纠缠态。这种安全隐患在连续变量(Continuous Variable, CV)量子系统中尤为突出，攻击者仅需改变本地振荡器(Local Oscillator, LO)强度就能干扰散粒噪声基准(Shot Noise Limit, SNL)校准，导致整个量子网络的安全防线形同虚设。

为解决这一难题，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室的付静、王旭同等研究人员在《Light: Science & Applications》发表了突破性成果。他们首次在多用户连续变量量子网络中实现了测量无设备依赖纠缠见证(Measurement-Device-Independent Entanglement Witness, MDIEW)，通过巧妙的实验设计使纠缠检测过程免疫于测量设备的不可靠性，为量子网络的安全建设提供了全新解决方案。

研究人员采用四波混频(Four-Wave Mixing, FWM)技术制备爱因斯坦-波多尔斯基-罗森(EPR)纠缠态，构建了包含Alice、Bob、Cindy、David四个用户的量子网络拓扑。与传统方法不同，MDIEW要求各用户制备符合高斯概率分布的可信相干态，将待测量子态与相干态一同发送给不可信的第三方Eve进行联合测量。通过比对Eve公布的测量结果与用户自备相干态信息，即可实现设备无关的纠缠验证。

关键技术方法包括：1）基于⁸⁵Rb原子D1线双Λ能级结构的FWM过程产生EPR纠缠源；2）高斯调制编码的相干态制备技术（σ=10）；3）相位锁定的平衡零差探测(Balanced Homodyne Detection, BHD)系统；4）针对LO强度攻击的SNL校准方案。实验在2MHz分析频率下进行，测量带宽300kHz。

实验结果分析

量子网络架构验证

通过50:50分束器将原始EPR纠缠态a?和b?划分为四对纠缠模式{a?₁,b?₁}、{a?₁,b?₂}、{a?₂,b?₁}和{a?₂,b?₂}，分别分发给四个用户。网络结构支持多种连续变量量子通信协议，为MDIEW提供了实际应用场景。

LO攻击下的安全性对比

当故意增加LO强度实施SNL攻击时，传统EW方法将可分离态错误判断为纠缠态（?EW_A?=0.765<1.000），而MDIEW方法通过计算?U²?+?V²?=24.773±0.045>0.990，准确识别出量子态未发生纠缠。这一结果证实MDIEW可有效抵御测量设备层面的攻击策略。

纠缠验证实验数据

在正常操作条件下，对a?₁和b?₁的纠缠验证显示?MDIEW?=0.962±0.016<0.990，违反判据公式(3)，成功验证纠缠存在。其他三对纠缠模式的实验结果均呈现相似规律，完整证明了四用户量子网络中纠缠分布的可验证性。

讨论与意义

本研究通过理论创新和实验验证，解决了连续变量量子网络中纠缠检测的设备依赖性问题。MDIEW方法的核心优势在于将测量设备的可信度要求转移至用户端制备的相干态，即使第三方测量设备完全不可信，也能保证纠缠验证结果的可靠性。值得注意的是，由于光学损耗（η≈0.75）和相位锁定误差等因素，实验中纠缠态仅保留0.58dB的压缩度，这反映了实际量子网络环境中实现高质量纠缠分布的挑战。

该技术为量子秘密共享网络等应用提供了安全基石，其设计思路与测量无设备依赖量子密钥分发(MDIQKD)协议具有内在一致性。未来通过优化FWM过程效率和降低系统损耗，可进一步提升纠缠检测的灵敏度和网络规模。这项成果标志着量子网络安全认证技术向实用化迈进的重要一步，为构建真正安全的量子互联网奠定了关键技术基础。