我科學(xué)家實(shí)現百兆比特率量子密鑰分發(fā)

  ICC訊 在應用方面，提高量子密鑰分發(fā)的密鑰速率（SKR）是最緊迫的任務(wù)之一，因為它可以實(shí)現更頻繁的密鑰交換，為更多的網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)或高數據率的應用提供服務(wù)，幫助實(shí)現關(guān)鍵基礎設施保護、醫療數據共享和分布式存儲加密等。在理論方面，為了實(shí)現可接受的積累時(shí)間，科學(xué)家已經(jīng)對嚴格的有限密鑰分析進(jìn)行了充分研究。

  近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士、徐飛虎教授等與上海微系統所、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了一個(gè)數量級。3月14日，這一成果論文在線(xiàn)發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》上。

  超高速率量子密鑰分發(fā)是關(guān)鍵

  通俗地說(shuō)，量子密鑰分發(fā)可以理解為在網(wǎng)絡(luò )中額外加入一個(gè)環(huán)節，雙方通過(guò)密碼驗證，確保安全后，再進(jìn)行信息傳輸?；诹孔恿W(xué)基本原理，量子密鑰分發(fā)（QKD）可以在原理上實(shí)現無(wú)條件安全的保密通信。

  量子密鑰分發(fā)允許遠程方提取信息論安全的密鑰，這已經(jīng)引起了科學(xué)界長(cháng)達數十年的關(guān)注。量子密鑰分發(fā)不僅提供了量子安全的密碼解決方案，而且還為了解奇妙的量子世界提供了深刻見(jiàn)解。在應用方面，提高量子密鑰分發(fā)的密鑰速率（SKR）是最緊迫的任務(wù)之一，因為它可以實(shí)現更頻繁的密鑰交換，為更多的網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)或高數據率的應用提供服務(wù)，幫助實(shí)現關(guān)鍵基礎設施保護、醫療數據共享和分布式存儲加密等。在理論方面，為了實(shí)現可接受的積累時(shí)間，科學(xué)家已經(jīng)對嚴格的有限密鑰分析進(jìn)行了充分研究。

  但到目前為止，SKR仍然限制在每秒幾兆比特左右。

  提高成碼率對量子密鑰分發(fā)的實(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10兆比特/秒。

  突破技術(shù)瓶頸實(shí)現更高密鑰率

  “為了實(shí)現更高的密鑰率，需要解決系統發(fā)送端、接收端和后處理等多重技術(shù)瓶頸?！毖芯咳藛T介紹，首先，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；其次，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。

  此次，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2.5GHz，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)，研究組還發(fā)展了偏振反饋控制、高速后處理模塊。

  研究人員表示，他們開(kāi)發(fā)了一個(gè)高速、穩定的QKD系統，一個(gè)用于低誤差調制的集成發(fā)射器以及用于高速檢測和快速后處理算法的多像素SNSPD。此外，實(shí)驗裝置中使用的硅集成調制器可以在成本、尺寸和穩定性方面給用戶(hù)帶來(lái)好處。

  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115.8兆比特/秒的密鑰率，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)200比特/秒。

  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，這對未來(lái)量子通信的大規模實(shí)際應用具有重要意義。

  中國是目前全球在量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò )基礎設施建設方面成果最多的國家。量子城域網(wǎng)、量子骨干網(wǎng)和量子局域網(wǎng)的建設，為下一步更多領(lǐng)域接入保密通信網(wǎng)所帶來(lái)的廣泛應用提供了必要基礎設施。研究人員表示：“總的來(lái)說(shuō)，密鑰率的大幅提高，有可能在數據安全最重要的領(lǐng)域創(chuàng )造新的機會(huì )，并使QKD更接近廣泛應用階段?！?