依托中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(jì)南量子技術(shù)研究院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位的科研人員合作，通過發(fā)展高保真度集成光子學(xué)量子態(tài)調(diào)控、高計(jì)數(shù)率超導(dǎo)單光子探測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)百兆比特率的實(shí)時(shí)量子密鑰分發(fā)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將此前的成碼率紀(jì)錄提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。該成果于3月14日在線發(fā)表于國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》雜志 [Nature Photonics (2023)]。

量子密鑰分發(fā)（QKD）基于量子力學(xué)基本原理，可以實(shí)現(xiàn)原理上無(wú)條件安全的保密通信。提高QKD的成碼率對(duì)其實(shí)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(wù)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)共享、分布式存儲(chǔ)加密等高帶寬需求的應(yīng)用。此前國(guó)際上最高的實(shí)時(shí)成碼率是10 Mb/s（10公里標(biāo)準(zhǔn)光纖信道下）。為了實(shí)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(huì)產(chǎn)生較高誤碼率；在接收端，同時(shí)具有高效率和高計(jì)數(shù)率能力的單光子探測(cè)器不可或缺，超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPD）具有高效率和低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，但其計(jì)數(shù)率通常受到較長(zhǎng)恢復(fù)時(shí)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(dá)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(tuán)隊(duì)最新研制的八像素SNSPD，實(shí)現(xiàn)了高計(jì)數(shù)率、高效率的單光子探測(cè)，在每秒輸入5.5億個(gè)光子時(shí)仍能保持62%的探測(cè)效率；同時(shí)，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(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了10公里標(biāo)準(zhǔn)光纖信道下115.8 Mb/s的密鑰率，較之前紀(jì)錄提高了約一個(gè)數(shù)量級(jí)；系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行超過50個(gè)小時(shí)，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(shí)現(xiàn)百兆比特率的實(shí)時(shí)密鑰分發(fā)，滿足高帶寬通信需求，對(duì)未來(lái)量子通信的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)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(duì)比圖

本研究論文的第一作者是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(xué)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