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一种确定实体位置的安全方法可以实现基于位置的交易授权和高价值目标跟踪等方案。然而，经典方法无法在不信任证明者的情况下提供安全的位置验证，这意味着证明者可以误导验证者关于其真实位置的信息。研究人员在此提出并实验实现了一种安全的位置验证协议，在信息论框架内结合了量
一种确定实体位置的安全方法可以实现基于位置的交易授权和高价值目标跟踪等方案。然而，经典方法无法在不信任证明者的情况下提供安全的位置验证，这意味着证明者可以误导验证者关于其真实位置的信息。研究人员在此提出并实验实现了一种安全的位置验证协议，在信息论框架内结合了量子光学与相对论。使用相位随机化弱相干态（phase-randomized weak coherent states, PR-WCS），两个相距2 km的验证者以优于75 m的精度安全地验证了证明者的位置。这些结果确立了基于位置的安全认证作为一种实际可能性，为金融交易、灾害响应和认证安全通信等应用铺平了道路。
**研究背景与问题**
随着互联网普及，远程交易、在线通信和数字治理重塑了社会运作方式，但信息源位置的信任问题未同步解决。确定实体是否物理存在于声称位置，成为身份认证的关键安全凭证。经典位置验证协议依赖多个验证者发送协调挑战消息，证明者需返回凭证，往返时间受相对论光速限制，因此可推断位置。然而，经典位置验证已被证明在不信任证明者且无预共享密钥等额外假设下不安全，因为经典信息可被复制和中继而不被检测，不诚实证明者可部署协作敌手拦截转发消息，无额外延迟生成正确凭证。将经典信息编码为量子比特可使拦截重发可检测，形成量子安全通信基础，因此量子位置验证（quantum position verification, QPV）成为有前景的物理方案。但基于单光子的QPV面临严苛要求：相对论约束使验证对延迟极度敏感，毫秒级额外延迟会转化为数百公里位置误差；信息论框架要求证明者从大小\({2}^{{2}^{n}}\)的函数集中均匀选择凭证计算函数，计算负担巨大；量子光学部分还要求单光子源、高重复率以及不超过3 dB的总损耗。这些瓶颈使QPV长期停留于理论。
**研究内容与结论**
研究人员提出并实验实现了一个结合量子光学与相对论的信息论安全位置验证协议。该方案采用相位随机化弱相干态（PR-WCS）替代单光子源，解决了多光子安全问题；通过微组装旋转环形分束器（rotated circulating splitter, RCS）的Sagnac编码实现高保真偏振态制备；并开发了基于GaN高电压驱动高速光学开关与超导探测器的高速低损耗测量系统。实验在2 km距离上实现了优于75 m的验证精度，系统整体量子光学效率达70%，量子比特误码率仅0.27%。该成果确立了安全位置认证的实用可能性，为金融交易、灾害响应和认证安全通信等应用铺平道路。论文发表在《Nature Physics》。
**主要关键技术方法**
研究人员采用相位随机化弱相干态作为量子源，以增益开关激光器产生，通过Sagnac干涉结构结合微组装RCS进行偏振编码，保真度99.73%。使用GaN高电压驱动器驱动低损耗光学开关（2 MHz）与超导纳米线单光子探测器，量子系统传输效率达70%。经典信道采用密集波分复用通断键控（DWDM-OOK）和反谐振空芯光纤（anti-resonant hollow-core fibre, AR-HCF）实现近光速低延迟传输。布尔函数通过FPGA搭配1 Tb DDR内存的查找表实现，输入规模n=40，计算延迟117.3 ns。安全分析采用半定规划与Chernoff界建立有限大小安全界限。本实验无样本队列来源。
**研究结果**
**Protocol**：协议由消息准备、凭证生成和位置推断三部分组成。两个验证者V1和V2各发送n/2个经典比特，同时V1发送一个相干态\(\left\vert {\alpha }_{b,c}\right\rangle\)，其偏振由本征基b和本征值c决定，b由布尔函数f: {0,1}\(^{n}\)→b确定。证明者P计算该函数得到b，据此对量子态做投影测量，返回结果c'。
**Message preparation**：验证者记录各自经典消息进入信道的时间t1和t2。V1根据b和c调制相干态的偏振后发送给证明者。
**Credential generation**：证明者将收到的两段n/2比特合并为n位输入并应用布尔函数得到b，按b测量量子态得到c'，然后立即返回。V1可调整量子态发送时间使其恰好在测量时到达，避免量子存储。
**Position inference**：验证者记录c'到达时间，正确事件（c'=c）、错误丢弃事件（c'≠c）和无响应事件分类后，经过N轮得到分数Γ=γCnc?γ⊥n⊥?γInI。系数由半定规划确定，阈值Γ0使诚实证明者几乎必定通过，不诚实证明者超过阈值的概率指数小。位置区域由光锥交叠决定，额外延迟δt对应位置不确定范围δr=c0δt。
**Implementation**：实验系统按协议架构搭建。量子信道采用超低损耗光纤（衰减0.142 dB km?1），低损耗光开关插入损耗0.6 dB，超导探测器效率90%，整体传输效率70%。高速高电压驱动器使开关以2 MHz工作，Sagnac结构制备四种偏振态，误码率低于0.27%。经典链路使用AR-HCF和DWDM-OOK，额外延迟仅22 ns左右。布尔函数单元基于FPGA和1 Tb DDR内存的查找表，延迟117.3 ns。实验中N=10?，优化平均光子数μ=0.52，五轮试验分数均超过Γ0，平均分数?232,824.32±199.80，最大响应延迟247.8 ns，对应验证范围74.3 m。
**Secure score with coherent states**：通过分别分析真空态、单光子态和多光子态对Γ0的贡献，采用Chernoff界处理有限轮统计涨落，建立了严格的安全上界。多光子态取最悲观攻击假设，真空态通过伯努利随机变量和不等式界定。
**High-fidelity quantum state preparation**：相干态源为增益开关激光器，输出脉宽47 ps，时间抖动19 ps。Sagnac结构中的RCS集成旋转器、环形器和偏振分束器，实现99.73%的偏振制备保真度。
**Large-scale and rapid Boolean function**：随机布尔函数通过查找表实现，DDR总容量1 Tb=2?? bits对应n=40，可支持全部\({2}^{{2}^{40}}\)个布尔函数。延迟主要由DDR访问约93.32 ns和输入输出约18.98 ns组成。
**Near-light-speed channel**：经典信号使用直接调制激光的幅度键控（OOK）编码，20个波长通道（C22-C41）并行发送，AR-HCF使传输额外延迟约22 ns。
**Low-delay and low-loss quantum measurement**：GaN高电压驱动器在50 ns内完成400 V切换，超导探测器效率90%，系统插入损耗约0.96 dB，整体传输效率72%。
**讨论与结论**
讨论部分指出，未来安全框架可结合内积函数与损失容忍方案以增大n并降低延迟；纠缠基QPV和设备无关统计检验（如基于Bell型不等式）也提供了互补的技术路线。真实场景中，该方法可用于自动取款机附近交易授权、办公区内数据库访问、音乐会门票解锁、租车车辆启动等基于位置的身份认证，以及灾害救援人员、高价值货物和军事资产的位置追踪。
研究结论为：研究人员展示了基于相对论和量子原理的安全位置验证。在已知两个验证者坐标的情况下，远程证明者声称的位置可在几秒内以优于75 m的精度得到认证，这得益于纳秒级系统延迟。方案安全性依赖于光速极限和经典与辅助资源之间的非互易性。对于n=40的经典输入，敌手每轮至少需要5比特辅助资源，2 MHz重复率进一步要求这些资源以相应高速率维持，从而增加攻击的实际难度，这意味着约10 MHz辅助资源的有效需求。假设该辅助资源为纠缠，并以纠缠通信为参考，该速率超过当前能力两个数量级以上。这确立了QPV从理论概念迈向实际可部署技术的里程碑。
