我科学家实现百兆比特率量子密钥分发

在应用方面，提高量子密钥分发的密钥速率（SKR）是最紧迫的任务之一，因为它可以实现更频繁的密钥交换，为更多的网络用户或高数据率的应用提供服务，帮助实现关键基础设施保护、医疗数据共享和分布式存储加密等。在理论方面，为了实现可接受的积累时间，科学家已经对严格的有限密钥分析进行了充分研究。

近日，中国科学技术大学潘建伟院士、徐飞虎教授等与上海微系统所、济南量子技术研究院、哈尔滨工业大学等单位的科研人员合作，通过发展高保真度集成光子学量子态调控、高计数率超导单光子探测等关键技术，首次在国际上实现百兆比特率的实时量子密钥分发，实验结果将此前的成码率纪录提升了一个数量级。3月14日，这一成果论文在线发表于国际学术期刊《自然·光子学》上。

超高速率量子密钥分发是关键

通俗地说，量子密钥分发可以理解为在网络中额外加入一个环节，双方通过密码验证，确保安全后，再进行信息传输。基于量子力学基本原理，量子密钥分发（QKD）可以在原理上实现无条件安全的保密通信。

量子密钥分发允许远程方提取信息论安全的密钥，这已经引起了科学界长达数十年的关注。量子密钥分发不仅提供了量子安全的密码解决方案，而且还为了解奇妙的量子世界提供了深刻见解。在应用方面，提高量子密钥分发的密钥速率（SKR）是最紧迫的任务之一，因为它可以实现更频繁的密钥交换，为更多的网络用户或高数据率的应用提供服务，帮助实现关键基础设施保护、医疗数据共享和分布式存储加密等。在理论方面，为了实现可接受的积累时间，科学家已经对严格的有限密钥分析进行了充分研究。

但到目前为止，SKR仍然限制在每秒几兆比特左右。

提高成码率对量子密钥分发的实用化起着至关重要的作用。高码率可为更多用户提供服务，实现大数据共享、分布式存储加密等高带宽需求的应用。此前国际上最高的实时成码率是10兆比特/秒。

突破技术瓶颈实现更高密钥率

“为了实现更高的密钥率，需要解决系统发送端、接收端和后处理等多重技术瓶颈。”研究人员介绍，首先，在发送端，高码率QKD需要高保真度的量子态调制，然而现有QKD系统在高速调制下会产生较高误码率；其次，在接收端，同时具有高效率和高计数率能力的单光子探测器不可或缺，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）具有高效率和低噪声的优点，但其计数率通常受到较长恢复时间的限制。

此次，潘建伟、徐飞虎研究组发展了集成光子片上高速高保真度偏振态调制技术，系统重频达到2.5GHz，量子比特误码率优于0.35%；结合中科院上海微系统所尤立星团队最新研制的八像素SNSPD，实现了高计数率、高效率的单光子探测，在每秒输入5.5亿个光子时仍能保持62%的探测效率；同时，研究组还发展了偏振反馈控制、高速后处理模块。

研究人员表示，他们开发了一个高速、稳定的QKD系统，一个用于低误差调制的集成发射器以及用于高速检测和快速后处理算法的多像素SNSPD。此外，实验装置中使用的硅集成调制器可以在成本、尺寸和稳定性方面给用户带来好处。

在上述技术突破的基础上，研究团队实现了10公里标准光纤信道下115.8兆比特/秒的密钥率，较之前纪录提高了约一个数量级；系统稳定运行超过50个小时，在传输距离328公里下码率超过200比特/秒。

QKD可实现百兆比特率的实时密钥分发，满足高带宽通信需求，这对未来量子通信的大规模实际应用具有重要意义。

中国是目前全球在量子密钥分发网络基础设施建设方面成果最多的国家。量子城域网、量子骨干网和量子局域网的建设，为下一步更多领域接入保密通信网所带来的广泛应用提供了必要基础设施。研究人员表示：“总的来说，密钥率的大幅提高，有可能在数据安全最重要的领域创造新的机会，并使QKD更接近广泛应用阶段。”