前沿进展 | 实现百兆比特率量子密钥分发

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

中国科学技术大学潘建伟、徐飞虎等与上海微系统所、济南量子技术研究院、哈尔滨工业大学等单位的科研人员合作，通过发展高保真度集成光子学量子态调控、高计数率超导单光子探测等关键技术，首次在国际上实现百兆比特率的实时量子密钥分发，实验结果将此前的成码率纪录提升一个数量级。

该成果以“High-rate quantum key distribution exceeding 110 Mb s^–1”为题，于2023年3月14日发表在Nature Photonics上。

2023 | 前沿进展

02 研究背景

量子密钥分发（QKD）基于量子力学基本原理，可以实现原理上无条件安全的保密通信。提高QKD的成码率对其实用化起着至关重要的作用。高码率可为更多用户提供服务，实现大数据共享、分布式存储加密等高带宽需求的应用。此前国际上最高的实时成码率是10 Mb/s（10 km标准光纤信道下）。

为了实现更高的密钥率，需要解决系统发送端、接收端和后处理等技术瓶颈。在发送端，高码率QKD需要高保真度的量子态调制，然而现有QKD系统在高速调制下会产生较高误码率；在接收端，同时具有高效率和高计数率能力的单光子探测器不可或缺，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）具有高效率和低噪声的优点，但其计数率通常受到较长恢复时间的限制。

03 研究创新点

潘建伟、徐飞虎团队发展了集成光子片上高速高保真度偏振态调制技术，系统重频达到2.5 GHz，量子比特误码率优于0.35%；结合中科院上海微系统所尤立星团队最新研制的八像素SNSPD，实现了高计数率、高效率的单光子探测，在每秒输入5.5亿个光子时仍能保持62%的探测效率。

图1 高码率量子密钥分发装置图

同时，该团队发展了偏振反馈控制、高速后处理模块等。在上述技术突破的基础上，该团队实现了10 km标准光纤信道下115.8 Mb/s的密钥率，较之前纪录提高了约一个数量级；系统稳定运行超过50个小时，在传输距离328 km下码率超过200 b/s。

图2 量子密钥分发成码率对比图

04 总结与展望

上述研究成果表明，QKD可实现百兆比特率的实时密钥分发，满足高带宽通信需求，对未来量子通信的大规模实际应用具有重要意义。

该工作得到了科技部、自然科学基金委、中科院、安徽省和上海市等的资助。论文的第一作者是中国科学技术大学博士后李蔚和博士生张立康。

论文链接：

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

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编辑 | 方紫璇

转载自中国科学技术大学新闻网

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