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为解决传统 DMCS-CVQKD 协议抗信道过量噪声和损耗能力弱、纠错困难的问题，研究人员开展离散调制相干态基编码量子密钥分发（DMCS-BE-QKD）协议研究，分析其在高斯信道下的密钥率，实验验证其可行性，该研究提升了通信安全性与实用性。
研究背景与意义
在量子通信领域，连续变量量子密钥分发（CVQKD）凭借相干光源和检测技术，成为实现远程安全密钥共享的重要方向，其中离散调制相干态协议（DMCS-CVQKD）因结构简单易于实现而备受关注。然而，传统 DMCS-CVQKD 在面对高信道过量噪声（excess noise）和信道损耗时表现出显著局限性，其密钥率随损耗增加急剧下降，且连续测量结果导致纠错过程复杂，难以在实际复杂信道环境中稳定应用。与此同时，高斯调制协议虽在抗噪能力上有一定优势，但设备调制要求较高，限制了其与现有经典光通信基础设施的兼容性。
为突破上述瓶颈，研究人员迫切需要一种既能保持 DMCS-CVQKD 实现 simplicity，又能显著提升抗信道损伤能力的新协议。在此背景下，离散调制相干态基编码量子密钥分发协议（DMCS-BE-QKD）的研究应运而生。该研究旨在通过重新设计密钥编码方式，利用共轭正交分量（X 和 P）的基选择编码密钥，探索其在高斯信道下的安全性与传输性能，为恶劣环境中的量子通信提供新方案。
研究内容与关键技术
研究由相关机构的研究团队开展，聚焦于 DMCS-BE-QKD 协议的理论分析与实验验证。研究人员构建了协议的安全分析框架，分别针对个体攻击（individual attacks）和集体攻击（collective attacks）场景，推导了线性高斯信道下的密钥率公式。通过将信道划分为多个子信道，结合概率理论计算爱丽丝（Alice）与鲍勃（Bob）间的互信息，并利用密度矩阵和算符分析伊芙（Eve）的信息泄露，系统评估了协议的安全性。
关键技术包括：
- 基编码机制：将密钥信息编码于 X 和 P 基的随机选择，而非传统的幅度或相位值，使原始密钥转化为二进制序列，简化纠错过程。
- 高斯信道建模：考虑信道损耗（T）和过量噪声（ε），采用线性高斯模型模拟实际通信环境，分析协议在不同噪声水平下的鲁棒性。
- 实验验证：搭建 50.5 公里光纤链路，利用相位调制器（PM）、任意波形发生器（AWG）等设备实现 QPSK-BE-QKD 的调制与检测，验证协议的实际可行性。
研究结果
1. DMCS-BE-QKD 协议流程与解码规则
协议分为量子通信和密钥解码两部分。Alice 随机制备离散调制相干态并发送，Bob 随机选择 X 或 P 基进行测量，通过参数估计（modulation variance、excess noise、transmission efficiency）和二进制纠错提取密钥。解码规则基于测量结果与原始态正交分量的距离判断，例如当测量值靠近 X 分量对应值时解码为 0，反之解码为 1。
2. 安全分析与密钥率计算
在个体攻击下，通过优化伊芙的正算符值测量（POVM），推导密钥率公式 Kind=βI(A:B)?maxΠI(b:E∣Π)；集体攻击下则利用 Holevo 界计算信息泄露 χbE。结果表明，QPSK-BE-QKD 较原始 QPSK-CVQKD 抗损耗能力提升约 40 dB（如 ε=0.02 时可容忍 50 dB 损耗，而原协议仅能承受约 10 dB）。
3. 调制星座与性能优化
仿真显示，QPSK-BE-QKD 性能优于 BPSK-BE-QKD，且调制方差（( V_A \））存在最优值（QPSK 为 1.04，BPSK 为 0.49）。星座平移（沿 y=x 轴）不影响密钥率，但旋转会降低性能，对称星座结构有利于抑制信息泄露。
4. 实验验证与结果
在 50.5 公里光纤实验中，采用导频序列校正相位漂移，测得过量噪声 ε=0.02716，实现 13.12 kbps 密钥率。理论分析显示，该协议在 33 dB 损耗下仍可安全通信，而原协议仅能承受约 10 dB 损耗，验证了其显著的性能提升。
结论与讨论
DMCS-BE-QKD 通过基编码策略，将密钥安全性从依赖连续信号幅值转向基选择的二进制决策，显著提升了抗信道损耗和过量噪声的能力。实验结果表明，该协议在实际光纤链路中可行，且与现有 CVQKD 终端兼容，为恶劣环境下的量子通信提供了高效方案。其安全分析框架和编码思想可拓展至其他量子协议，推动量子互联网在长距离、高噪声场景中的应用。研究成果为构建更健壮的量子密码通信网络奠定了基础，有望在卫星通信、城际量子链路等领域发挥关键作用。
