中國科大實現百兆比特率量子密鑰分發

中國科學技術大學潘建偉、徐飛虎等與上海微系統所、濟南量子技術研究院、哈爾濱工業大學等單位的科研人員合作，通過發展高保真度集成光子學量子態調控、高計數率超導單光子探測等關鍵技術，首次在國際上實現百兆比特率的實時量子密鑰分發，實驗結果將此前的成碼率紀錄提升一個數量級。該成果于3月14日在線發表于國際著名學術期刊《自然-光子學》（Nature Photonics）雜志。

量子密鑰分發（QKD）基于量子力學基本原理，可以實現原理上無條件安全的保密通信。提高QKD的成碼率對其實用化起著至關重要的作用。高碼率可為更多用戶提供服務，實現大數據共享、分布式存儲加密等高帶寬需求的應用。此前國際上最高的實時成碼率是10Mb/s（10公里標準光纖信道下）。為了實現更高的密鑰率，需要解決系統發送端、接收端和后處理等技術瓶頸。在發送端，高碼率QKD需要高保真度的量子態調制，然而現有QKD系統在高速調制下會產生較高誤碼率；在接收端，同時具有高效率和高計數率能力的單光子探測器不可或缺，超導納米線單光子探測器（SNSPD）具有高效率和低噪聲的優點，但其計數率通常受到較長恢復時間的限制。

圖1：高碼率量子密鑰分發裝置圖

圖2：量子密鑰分發成碼率對比圖

潘建偉、徐飛虎研究組發展了集成光子片上高速高保真度偏振態調制技術，系統重頻達到2.5 GHz，量子比特誤碼率優于0.35%；結合中科院上海微系統所尤立星團隊最新研制的八像素SNSPD，實現了高計數率、高效率的單光子探測，在每秒輸入5.5億個光子時仍能保持62%的探測效率；同時，研究組發展了偏振反饋控制、高速后處理模塊等。在上述技術突破的基礎上，研究團隊實現了10公里標準光纖信道下115.8 Mb/s的密鑰率，較之前紀錄提高了約一個數量級；系統穩定運行超過50個小時，在傳輸距離328公里下碼率超過200b/s。上述研究成果表明，QKD可實現百兆比特率的實時密鑰分發，滿足高帶寬通信需求，對未來量子通信的大規模實際應用具有重要意義。

本研究論文的第一作者是中國科學技術大學博士后李蔚和博士生張立康。

該工作得到了科技部、自然科學基金委、中科院、安徽省和上海市等的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-023-01166-4