我科學家實現百兆比特率量子密鑰分發

在應用方面，提高量子密鑰分發的密鑰速率（SKR）是最緊迫的任務之一，因為它可以實現更頻繁的密鑰交換，為更多的網路用戶或高數據率的應用提供服務，幫助實現關鍵基礎設施保護、醫療數據共用和分佈式存儲加密等。在理論方面，為了實現可接受的積累時間，科學家已經對嚴格的有限密鑰分析進行了充分研究。

近日，中國科學技術大學潘建偉院士、徐飛虎教授等與上海微系統所、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，通過發展高保真度整合光子學量子態調控、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了一個數量級。3月14日，這一成果論文線上發表于國際學術期刊《自然·光子學》上。

超高速率量子密鑰分發是關鍵

通俗地説，量子密鑰分發可以理解為在網路中額外加入一個環節，雙方通過密碼驗證，確保安全後，再進行資訊傳輸。基於量子力學基本原理，量子密鑰分發（QKD）可以在原理上實現無條件安全的保密通信。

量子密鑰分發允許遠端方提取資訊論安全的密鑰，這已經引起了科學界長達數十年的關注。量子密鑰分發不僅提供了量子安全的密碼解決方案，而且還為了解奇妙的量子世界提供了深刻見解。在應用方面，提高量子密鑰分發的密鑰速率（SKR）是最緊迫的任務之一，因為它可以實現更頻繁的密鑰交換，為更多的網路用戶或高數據率的應用提供服務，幫助實現關鍵基礎設施保護、醫療數據共用和分佈式存儲加密等。在理論方面，為了實現可接受的積累時間，科學家已經對嚴格的有限密鑰分析進行了充分研究。

但到目前為止，SKR仍然限制在每秒幾兆比特左右。

提高成碼率對量子密鑰分發的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，實現大數據共用、分佈式存儲加密等高頻寬需求的應用。此前國際上最高的實時成碼率是10兆比特/秒。

突破技術瓶頸實現更高密鑰率

“為了實現更高的密鑰率，需要解決系統發送端、接收端和後處理等多重技術瓶頸。”研究人員介紹，首先，在發送端，高碼率QKD需要高保真度的量子態調製，然而現有QKD系統在高速調製下會産生較高誤碼率；其次，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，超導奈米線單光子探測器（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。

此次，潘建偉、徐飛虎研究組發展了整合光子片上高速高保真度偏振態調製技術，系統重頻達到2.5GHz，量子比特誤碼率優於0.35%；結合中科院上海微系統所尤立星團隊最新研製的八像素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，研究組還發展了偏振反饋控制、高速後處理模組。

研究人員表示，他們開發了一個高速、穩定的QKD系統，一個用於低誤差調製的整合發射器以及用於高速檢測和快速後處理演算法的多像素SNSPD。此外，實驗裝置中使用的硅整合調製器可以在成本、尺寸和穩定性方面給用戶帶來好處。

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115.8兆比特/秒的密鑰率，較之前紀錄提高了約一個數量級；系統穩定運作超過50個小時，在傳輸距離328公里下碼率超過200比特/秒。

QKD可實現百兆比特率的實時密鑰分發，滿足高頻寬通信需求，這對未來量子通信的大規模實際應用具有重要意義。

中國是目前全球在量子密鑰分發網路基礎設施建設方面成果最多的國家。量子城域網、量子骨幹網和量子局域網的建設，為下一步更多領域接入保密通信網所帶來的廣泛應用提供了必要基礎設施。研究人員表示：“總的來説，密鑰率的大幅提高，有可能在數據安全最重要的領域創造新的機會，並使QKD更接近廣泛應用階段。”