中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、徐飛虎等與上海微系統所、濟南量子技術(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(guò)發(fā)展高保真度集成光子學(xué)量子態(tài)調控、高計數率超導單光子探測等關(guān)鍵技術(shù)，首次在國際上實(shí)現百兆比特率的實(shí)時(shí)量子密鑰分發(fā)，實(shí)驗結果將此前的成碼率紀錄提升一個(gè)數量級。該成果于3月14日在線(xiàn)發(fā)表于國際著(zhù)名學(xué)術(shù)期刊《自然-光子學(xué)》（Nature Photonics）雜志。
量子密鑰分發(fā)（QKD）基于量子力學(xué)基本原理，可以實(shí)現原理上無(wú)條件安全的保密通信。提高QKD的成碼率對其實(shí)用化起著(zhù)至關(guān)重要的作用。高碼率可為更多用戶(hù)提供服務(wù)，實(shí)現大數據共享、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(shí)時(shí)成碼率是10Mb/s（10公里標準光纖信道下）。為了實(shí)現更高的密鑰率，需要解決系統發(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)調制，然而現有QKD系統在高速調制下會(huì )產(chǎn)生較高誤碼率；在接收端，同時(shí)具有高效率和高計數率能力的單光子探測器不可或缺，超導納米線(xiàn)單光子探測器（SNSPD）具有高效率和低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，但其計數率通常受到較長(cháng)恢復時(shí)間的限制。
圖1：高碼率量子密鑰分發(fā)裝置圖
圖2：量子密鑰分發(fā)成碼率對比圖
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)調制技術(shù)，系統重頻達到2.5 GHz，量子比特誤碼率優(yōu)于0.35%；結合中科院上海微系統所尤立星團隊最新研制的八像素SNSPD，實(shí)現了高計數率、高效率的單光子探測，在每秒輸入5.5億個(gè)光子時(shí)仍能保持62%的探測效率；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)突破的基礎上，研究團隊實(shí)現了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(gè)數量級；系統穩定運行超過(guò)50個(gè)小時(shí)，在傳輸距離328公里下碼率超過(guò)200b/s。上述研究成果表明，QKD可實(shí)現百兆比特率的實(shí)時(shí)密鑰分發(fā)，滿(mǎn)足高帶寬通信需求，對未來(lái)量子通信的大規模實(shí)際應用具有重要意義。
本研究論文的第一作者是中國科學(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
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、中科院量子信息與量子科技創(chuàng )新研究院、科研部）
