在现代密码系统中，用户根据计算复杂性生成保证安全性的公钥和私钥，并使用它们来加密和解密信息。然而，最近发现，现代公钥密码系统并不能保证量子计算机的安全，仍会存在明显的潜在安全漏洞。作为一种解决方案，量子密码系统受到了高度关注。他们使用基于量子物理学而不是计算复杂性来保证安全性的量子密钥，因此，量子密码系统有望取代现代密码系统。

2：N TF QKD网络结构。图片来源：韩国科学技术研究院

量子密钥分发（QKD）是实现量子密码系统的最重要技术。要将 QKD 商业化，应解决两个主要技术问题。一是通信距离，二是从一对一（1:1）通信扩展到一对多（1:N）或多对多（N:N）网络通信。

2018 年发布的双场 (TF) QKD 是一种长距离协议，可以显着增加 QKD 系统的通信距离。在 TF QKD 中，两个用户可以通过将量子信号传输给中间第三方进行测量来分发密钥。鉴于不可避免的信道损失，这种架构允许用户增加通信距离。然而，尽管它具有创新性，但由于系统实施难度大，仅在全球少数几个QKD领导小组中进行了实验论证，对TF QKD网络的研究仍然不足。

韩国科学技术研究院（KIST，Seok-jin Yoon 所长）宣布，由韩相旭所长领导的量子信息中心研究团队成功地进行了实用 TF QKD 网络的实验演示。这是继加拿大多伦多大学之后，全球第二次TF QKD网络的实验演示。

在他们发表在npj Quantum Information上的研究中，研究团队提出了一种新的 TF QKD 网络结构，该结构可扩展到基于偏振、时分和波分复用的二对多 (2:N) 网络。与多伦多大学的首次演示基于环形网络结构不同，研究团队的架构是基于星形网络的。环形结构中的量子信号必须通过每一个连接到环上的用户，而星形结构只有通过中心，使得实现更实用的QKD系统成为可能。

实验图。图片来源：韩国科学技术研究院

此外，为了克服开发 TF QKD 系统的主要实施障碍，该团队采用了即插即用 (PnP) 结构。传统的 TF QKD 系统需要许多控制系统，例如定时、波长、相位和偏振控制器，以保持两个用户不同光源发出的两个量子信号的不可区分性。而在 KIST 研究团队开发的 PnP TF QKD 架构中，中间第三方使用单一光源生成初始信号并将其传输给两个用户，然后信号通过往返返回给第三方。因此，由通道双折射效应引起的偏振漂移得到自动补偿，用户波长基本一致。此外，由于两个信号通过相同的路线，方向相反，信号的到达时间自然是相同的。因此，实施研究团队的架构只需要一个相位控制器。基于该架构，团队成功进行了TF QKD网络的实验演示。

量子信息中心负责人 Sang-Wook Han 表示：“这是一项重要的研究成果，显示了解决 QKD 商业化的两个主要障碍的可能性，我们获得了引领相应研究的关键技术。”