电院曾贵华团队在高速量子密钥分发研究上取得重要进展
近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院感知学院曾贵华教授、黄鹏副研究员在连续变量量子密钥分发（CVQKD）研究中取得重要进展。该工作针对CVQKD高速安全成码问题，提出了基于高带宽探测与信号采集的被动态制备连续变量量子密钥分发（PSP-CVQKD）方案，并解决了被动态制备及强本振复用传输引入的噪声抑制问题，首次实现了接入网范围内Gbps量级安全成码验证。
研究成果以“Gbps key rate passive-state-preparation continuous-variable quantum key distribution within access-network area”（接入网范围内Gbps码率被动态制备连续变量量子密钥分发）为题，发表在国际著名期刊《Photonics Research》上。
高速热态被动态制备CVQKD实验方案
研究背景
作为连续变量量子密钥分发的重要实现方法，PSP-CVQKD方案利用热源正则分量的内禀真随机性实现连续变量量子密码通信中互不对易相干光场正则分量的高斯随机性编码。因此该方案无需量子真随机数发生器、幅度和相位调制器进行主动量子态编码制备，可极大降低系统复杂度和实现成本，同时避免了高速高斯调制在高消光比和稳定性上实现难题。由于从接收方及窃听者视角，发送量子态的被动制备与主动制备并没有本质区别，只是被动态制备的外差探测引入了被动态制备噪声，方案安全性与主动态制备高斯调制相干态连续变量量子密钥分发等效，同样具备信息理论安全性。
研究亮点
针对CVQKD高速安全成码问题，本工作开展了理论与实验研究，主要取得了如下成果：提出了基于高速零差探测及高速数据采样的随路本振高码率PSP-CVQKD方案，消除了低探测带宽引入的安全成码瓶颈，同时提出了针对高速PSP-CVQKD的综合噪声抑制方法，主要包括被动态制备及偏振泄露过噪声。通过利用ASE光源、高增益放大器和窄带滤波构成等效高效率热源，并引入高衰减被动分光实现高效被动态制备噪声抑制；通过使用高隔离度偏振复用技术及偏振监控技术实现了偏振噪声抑制。
基于以上方法将系统总体过噪声控制到平均0.047安全成码范围，同时使用高带宽光电探测及高速信号采样实现了等效调制频率达23GHz的高速CVQKD，国际上首次将量子密钥分发安全密钥率提升到Gbps级别，其在无限码长条件下安全密钥率达到5.005km标准单模光纤下1.09Gbps，安全传输距离超过10km。
高速热态被动态制备CVQKD实验过噪声及安全成码
研究意义
该工作的意义在于，验证了被动态制备连续变量量子密钥分发方案的高安全成码特性，首次将接入网内量子密钥分发安全成码提升到Gbps量级，为实现高速量子保密通信接入提供了新的简易化解决方案，并进一步为高速集成化CVQKD提供了参考方案。
值得一提的是，曾贵华教授、黄鹏副研究员等人近年来潜心高性能光纤及自由空间量子保密通信方面研究，已取得系列创新成果，代表性成果包括：基于商用集成化相干光通信器件的小型化高速CVQKD技术[New J. Phys, 26: 023002 (2024)]、首个热态被动态制备连续变量子密钥分发完整成码实验[New J. Phys., 23: 113028, 2021]、系列自由空间CVQKD关键技术[PRA 99: 032326 (2019); PRApplied, 12: 024041 (2019); Opt. Express, 28: 10743 (2020); Optics Letters, 45: 5921 (2020); Opt. Express, 29: 25048 (2021); Optics Express, 31: 7383 (2023)]、首个雾气信道下CVQKD安全成码实验验证[Optics Letters, 46: 5858 (2021)]、以及首个湍流信道下CVQKD安全成码实验验证[Optics Letters, 48: 1184. (2023)]。
论文信息
论文第一作者为电院硕士生季飞宇和黄鹏副研究员，通讯作者为电院黄鹏副研究员，其他作者包括王涛副教授、曾贵华教授和东华大学蒋学芹教授。相关研究工作得到科技创新2030国家重大专项、上海市重大专项、国家自然科学基金以及广东省重点研发计划的资助。
论文链接（或点击“阅读原文”）：https://doi.org/10.1364/PRJ.519909
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来源丨感知科学与工程学院
文稿丨黄鹏 季飞宇
编辑 | 万凤箫
责任编辑 | 张悦