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中国科大潘建伟、许与上海微系统与信息技术研究所、济南量子技术研究所、哈尔滨工业大学等单位研究人员合作，通过开发高保真集成光子学量子态控制、高计数超导单光子探测等关键技术，在国际上首次实现了百兆比特速率的实时量子密钥分发。实验结果把以前的比特率记录提高了一个数量级。该成果于3月14日在线发表在国际学术期刊《自然光子学》上。

量子密钥分发(QKD)基于量子力学的基本原理，原理上可以实现无条件的安全保密通信。提高QKD的编码速率对其实际应用起着至关重要的作用。高比特率可以为更多的用户提供服务，实现大数据共享、分布式存储加密等高带宽要求的应用。此前全球最高实时编码速率为10mb/s(10公里标准光纤通道下)。为了达到更高的密钥率，需要解决系统的发送方、接收方和后处理等技术瓶颈。在发射端，高比特率QKD需要高保真度的量子态调制，但现有的QKD系统在高速调制下会产生高误码率；在接收端，高效率、高计数率的单光子探测器是必不可少的。超导纳米线单光子探测器具有高效率和低噪声的优点，但其计数率通常受到长恢复时间的限制。

潘建伟和许研究组在集成光子芯片上开发了高速高保真偏振态调制技术。系统重复率达到2.5 GHz，量子误码率优于0.35%。结合中科院上海微系统所余团队最新研发的八像素SNSPD，实现了高计数率、高效率的单光子探测，在每秒输入5.5亿个光子的情况下，探测效率仍能保持在62%。同时，研究组开发了偏振反馈控制和高速后处理模块。在上述技术突破的基础上，研究团队在10公里标准光纤通道下实现了115.8 Mb/s的关键速率，比之前的记录提高了一个数量级左右。系统稳定运行50小时以上，在328公里的传输距离上，比特率超过200b/s。上述研究成果表明，QKD可以在100兆比特速率下实现实时密钥分发，满足高带宽通信的需求，对未来量子通信的大规模实际应用具有重要意义。

这项工作得到了科技部、国家自然科学基金、中国科学院、安徽省和上海市的支持。

高比特率量子密钥分发器件图

量子密钥分发比特率对比图

来源:中国科学技术大学。

2.量子密钥分发原理图，中国科学家实现的模式匹配量子密钥分发

量子密钥分发基于量子力学的基本原理，理论上可以实现无条件安全的保密通信。模式匹配量子密钥分发协议(MP-QKD)是清华大学马研究组于2022年提出的一种新的测量设备无关量子密钥分发协议。与原有的测量设备无关协议相比，可以使用更多的检测事件进行编码，可以大大提高编码速率。与双域量子密钥分发协议和相位匹配协议相比，不需要复杂的激光锁频和锁相技术，节约了成本，降低了实际应用的难度，对环境噪声具有更好的抗干扰能力。

基于清华大学马研究组提出的模式匹配量子密钥分发协议，潘建伟和陈研究组利用最大似然估计的数据后处理方法，精确估计了用于参数估计的两个独立激光器的频差，并结合中科院上海微系统所研制的高效单光子探测器，实现了实验室标准光纤100 km、200 km、300 km和超低损耗光纤400 km的安全编码。与原来的MDI实验相比，比特率有了明显的提高，在300 km和400 km的距离上，比特率提高了三个数量级。

研究表明，模式匹配量子密钥分发可以实现无激光锁频的长距离安全编码，在城域范围内具有较高的编码率，大大降低了协议实现的难度，对未来量子通信网络的构建具有重要意义。(记者帅军全)

来源:央视新闻客户端