科研进展

中国科大等实现百兆比特率量子密钥分发

日期: 2023-03-14

|  来源: 中国科学技术大学 【字号:

  中国科学技术大学潘建伟、徐飞虎等与中国科学院上海微系统与信息技术研究所、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一个数量级。该成果于3月14日在线发表于国际学术期刊《自然-光子学》(Nature Photonics)。

  量子密钥分发(QKD)基于量子力学基本原理,可以实现原理上无条件安全的保密通信。提高QKD的成码率对其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10Mb/s(10公里标准光纤信道下)。为了实现更高的密钥率,需要解决系统发送端、接收端和后处理等技术瓶颈。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;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。

  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2.5 GHz,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,研究组发展了偏振反馈控制、高速后处理模块等。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 Mb/s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200b/s。上述研究成果表明,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,对未来量子通信的大规模实际应用具有重要意义。

  该工作得到科技部、国家自然科学基金委、中科院、安徽省和上海市等的资助。

  论文链接

高码率量子密钥分发装置图

量子密钥分发成码率对比图

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