中國科大實現高速率實用化量子密鑰分發

我校郭光燦院士團隊在實用化量子密鑰分發研究方面取得重要進展。該團隊韓正甫、陳巍、銀振強、王雙等與哈爾濱工業大學李瓊團隊合作，突破了量子態制備和單光子探測技術在高速、高信噪比和集成度的相互制約難題，首次利用半導體單光子探測器，實現了超越超導探測系統的安全密鑰率紀錄，驗證了實現高性能實用化量子密鑰分發設備的重要技術路徑。研究成果以“High-rate quantum key distribution with compact state preparation and detection”為題，4月30日在線發表在《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）上。

圖1 高速率實用化量子密鑰分發示意圖

量子密鑰分發通過將密鑰編碼在量子態中實現安全共享，是一種具備信息論安全的保密通信手段。實現高密鑰率并兼顧實際部署能力，是其走向應用的關鍵。近年來，在高性能超導探測系統的支持下，量子密鑰分發的安全密鑰率顯著提升。隨著應用需求的增加，系統復雜度和部署條件也成為需要考慮的重要因素。《自然》雜志近期指出：“面向真實世界應用的實用化量子密鑰分發通常依賴昂貴且高度復雜的定制化實驗室設備，這對大多數現代協議而言尤其具有挑戰性”（Developments towards real-world, practical quantum key distribution typically require expensive, highly sophisticated, bespoke laboratory equipment, which is particularly challenging for most modern protocols, Nature 640, 911–917 (2025)）。因此，在保持高密鑰率的同時減少對極低溫超導系統的依賴并降低系統復雜度，成為推動量子密鑰分發進一步發展的關鍵問題。

韓正甫課題組多年來圍繞這一問題展開深入研究，分別提出了多路徑馬赫-曾德爾量子態制備方法（npj Quant. Inf. 7, 75 (2021)）、單光子探測器建模優化方法（Phys. Rev. Appl. 13, 054027 (2020)、Phys. Rev. A 106, 062607(2022)）并研制了2.5GHz高速半導體探測器（Adv. Devices Instrum. 4, 0020 (2023)）。這些工作為高速率實用化量子密鑰分發研究奠定良好的基礎。

圖2 高速率實用化量子密鑰分發系統框圖

在本研究中，研究團隊構建了一種兼具高性能與可部署性的量子密鑰分發系統。在量子態制備方面，團隊提出了基于偏振旋轉雙平行馬赫-曾德爾結構的集成化量子態制備方案，實現了誘騙態和編碼維度的一體化高速調制。在單光子探測方面，發展了雪崩光電二極管單光子探測技術，提出微弱雪崩信號提取方法，在保持高效率和低死時間的同時有效抑制噪聲。在此基礎上，系統在無需低溫制冷等復雜條件下實現穩定運行，并在10公里和100公里光纖鏈路上分別實現了60.33 Mbps和3.08 Mbps的安全密鑰率紀錄，達到了國際領先水平，為高帶寬需求下的量子通信規模化部署奠定基礎。

我校特任副研究員范元冠杰、博士生謝蔚鑫為論文共同第一作者，王雙教授為該論文通訊作者。研究工作得到了來自科技部、國家自然科學基金委等多個項目的支持。