在應用方面，提高量子密鑰分發(fā)的密鑰速率（SKR）是最緊迫的任務之一，因為它可以實現(xiàn)更頻繁的密鑰交換，為更多的網(wǎng)絡用戶或高數(shù)據(jù)率的應用提供服務，幫助實現(xiàn)關鍵基礎設施保護、醫(yī)療數(shù)據(jù)共享和分布式存儲加密等。在理論方面，為了實現(xiàn)可接受的積累時間，科學家已經(jīng)對嚴格的有限密鑰分析進行了充分研究。

近日，中國科學技術大學潘建偉院士、徐飛虎教授等與上海微系統(tǒng)所、濟南量子技術研究院、哈爾濱工業(yè)大學等單位的科研人員合作，通過發(fā)展高保真度集成光子學量子態(tài)調(diào)控、高計數(shù)率超導單光子探測等關鍵技術，首次在國際上實現(xiàn)百兆比特率的實時量子密鑰分發(fā)，實驗結(jié)果將此前的成碼率紀錄提升了一個數(shù)量級。3月14日，這一成果論文在線發(fā)表于國際學術期刊《自然·光子學》上。

超高速率量子密鑰分發(fā)是關鍵

通俗地說，量子密鑰分發(fā)可以理解為在網(wǎng)絡中額外加入一個環(huán)節(jié)，雙方通過密碼驗證，確保安全后，再進行信息傳輸。基于量子力學基本原理，量子密鑰分發(fā)（QKD）可以在原理上實現(xiàn)無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)引起了科學界長達數(shù)十年的關注。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）是最緊迫的任務之一，因為它可以實現(xiàn)更頻繁的密鑰交換，為更多的網(wǎng)絡用戶或高數(shù)據(jù)率的應用提供服務，幫助實現(xiàn)關鍵基礎設施保護、醫(yī)療數(shù)據(jù)共享和分布式存儲加密等。在理論方面，為了實現(xiàn)可接受的積累時間，科學家已經(jīng)對嚴格的有限密鑰分析進行了充分研究。

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)的實用化起著至關重要的作用。高碼率可為更多用戶提供服務，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)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時成碼率是10兆比特/秒。

突破技術瓶頸實現(xiàn)更高密鑰率

“為了實現(xiàn)更高的密鑰率，需要解決系統(tǒng)發(fā)送端、接收端和后處理等多重技術瓶頸。”研究人員介紹，首先，在發(fā)送端，高碼率QKD需要高保真度的量子態(tài)調(diào)制，然而現(xiàn)有QKD系統(tǒng)在高速調(diào)制下會產(chǎn)生較高誤碼率；其次，在接收端，同時具有高效率和高計數(shù)率能力的單光子探測器不可或缺，超導納米線單光子探測器（SNSPD）具有高效率和低噪聲的優(yōu)點，但其計數(shù)率通常受到較長恢復時間的限制。

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(diào)制技術，系統(tǒng)重頻達到2.5GHz，量子比特誤碼率優(yōu)于0.35%；結(jié)合中科院上海微系統(tǒng)所尤立星團隊最新研制的八像素SNSPD，實現(xiàn)了高計數(shù)率、高效率的單光子探測，在每秒輸入5.5億個光子時仍能保持62%的探測效率；同時，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，他們開發(fā)了一個高速、穩(wěn)定的QKD系統(tǒng)，一個用于低誤差調(diào)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，實驗裝置中使用的硅集成調(diào)制器可以在成本、尺寸和穩(wěn)定性方面給用戶帶來好處。

在上述技術突破的基礎上，研究團隊實現(xiàn)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數(shù)量級；系統(tǒng)穩(wěn)定運行超過50個小時，在傳輸距離328公里下碼率超過200比特/秒。

QKD可實現(xiàn)百兆比特率的實時密鑰分發(fā)，滿足高帶寬通信需求，這對未來量子通信的大規(guī)模實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，為下一步更多領域接入保密通信網(wǎng)所帶來的廣泛應用提供了必要基礎設施。研究人員表示：“總的來說，密鑰率的大幅提高，有可能在數(shù)據(jù)安全最重要的領域創(chuàng)造新的機會，并使QKD更接近廣泛應用階段。”