依托中國科學技術(shù)大學組建的中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉,、徐飛虎等與上海微系統(tǒng)所,、濟南量子技術(shù)研究院、哈爾濱工業(yè)大學等單位的科研人員合作，通過發(fā)展高保真度集成光子學量子態(tài)調(diào)控,、高計數(shù)率超導單光子探測等關(guān)鍵技術(shù),，首次在國際上實現(xiàn)百兆比特率的實時量子密鑰分發(fā),，實驗結(jié)果將此前的成碼率紀錄提升一個數(shù)量級,。該成果于3月14日在線發(fā)表于國際著名學術(shù)期刊《自然·光子學》雜志 [Nature Photonics (2023)]。

量子密鑰分發(fā)（QKD）基于量子力學基本原理,，可以實現(xiàn)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(guān)重要的作用。高碼率可為更多用戶提供服務,，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)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10 Mb/s（10公里標準光纖信道下）,。為了實現(xiàn)更高的密鑰率,，需要解決系統(tǒng)發(fā)送端、接收端和后處理等技術(shù)瓶頸,。在發(fā)送端,，高碼率QKD需要高保真度的量子態(tài)調(diào)制，然而現(xiàn)有QKD系統(tǒng)在高速調(diào)制下會產(chǎn)生較高誤碼率,；在接收端,，同時具有高效率和高計數(shù)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(yōu)點,，但其計數(shù)率通常受到較長恢復時間的限制,。

潘建偉、徐飛虎研究組發(fā)展了集成光子片上高速高保真度偏振態(tài)調(diào)制技術(shù),，系統(tǒng)重頻達到2.5 GHz,，量子比特誤碼率優(yōu)于0.35%,；結(jié)合中科院上海微系統(tǒng)所尤立星團隊最新研制的八像素SNSPD，實現(xiàn)了高計數(shù)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(fā)展了偏振反饋控制,、高速后處理模塊等。在上述技術(shù)突破的基礎(chǔ)上,，研究團隊實現(xiàn)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(shù)量級,；系統(tǒng)穩(wěn)定運行超過50個小時,，在傳輸距離328公里下碼率超過200 b/s。上述研究成果表明,，QKD可實現(xiàn)百兆比特率的實時密鑰分發(fā),，滿足高帶寬通信需求，對未來量子通信的大規(guī)模實際應用具有重要意義,。

高碼率量子密鑰分發(fā)裝置圖

量子密鑰分發(fā)成碼率對比圖

本研究論文的第一作者是中國科學技術(shù)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