中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)高速率實(shí)用化量子密鑰分發(fā)

我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在實(shí)用化量子密鑰分發(fā)研究方面取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)韓正甫、陳巍、銀振強(qiáng)、王雙等與哈爾濱工業(yè)大學(xué)李瓊團(tuán)隊(duì)合作，突破了量子態(tài)制備和單光子探測(cè)技術(shù)在高速、高信噪比和集成度的相互制約難題，首次利用半導(dǎo)體單光子探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了超越超導(dǎo)探測(cè)系統(tǒng)的安全密鑰率紀(jì)錄，驗(yàn)證了實(shí)現(xiàn)高性能實(shí)用化量子密鑰分發(fā)設(shè)備的重要技術(shù)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(xiàn)發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）上。

圖1 高速率實(shí)用化量子密鑰分發(fā)示意圖

量子密鑰分發(fā)通過(guò)將密鑰編碼在量子態(tài)中實(shí)現(xiàn)安全共享，是一種具備信息論安全的保密通信手段。實(shí)現(xiàn)高密鑰率并兼顧實(shí)際部署能力，是其走向應(yīng)用的關(guān)鍵。近年來(lái)，在高性能超導(dǎo)探測(cè)系統(tǒng)的支持下，量子密鑰分發(fā)的安全密鑰率顯著提升。隨著應(yīng)用需求的增加，系統(tǒng)復(fù)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(shí)世界應(yīng)用的實(shí)用化量子密鑰分發(fā)通常依賴(lài)昂貴且高度復(fù)雜的定制化實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，這對(duì)大多數(shù)現(xiàn)代協(xié)議而言尤其具有挑戰(zhàn)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(shí)減少對(duì)極低溫超導(dǎo)系統(tǒng)的依賴(lài)并降低系統(tǒng)復(fù)雜度，成為推動(dòng)量子密鑰分發(fā)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

韓正甫課題組多年來(lái)圍繞這一問(wèn)題展開(kāi)深入研究，分別提出了多路徑馬赫-曾德?tīng)柫孔討B(tài)制備方法（npj Quant. Inf. 7, 75 (2021)）、單光子探測(cè)器建模優(yōu)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(dǎo)體探測(cè)器（Adv. Devices Instrum. 4, 0020 (2023)）。這些工作為高速率實(shí)用化量子密鑰分發(fā)研究奠定良好的基礎(chǔ)。

圖2 高速率實(shí)用化量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)框圖

在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種兼具高性能與可部署性的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。在量子態(tài)制備方面，團(tuán)隊(duì)提出了基于偏振旋轉(zhuǎn)雙平行馬赫-曾德?tīng)柦Y(jié)構(gòu)的集成化量子態(tài)制備方案，實(shí)現(xiàn)了誘騙態(tài)和編碼維度的一體化高速調(diào)制。在單光子探測(cè)方面，發(fā)展了雪崩光電二極管單光子探測(cè)技術(shù)，提出微弱雪崩信號(hào)提取方法，在保持高效率和低死時(shí)間的同時(shí)有效抑制噪聲。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)在無(wú)需低溫制冷等復(fù)雜條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，并在10公里和100公里光纖鏈路上分別實(shí)現(xiàn)了60.33 Mbps和3.08 Mbps的安全密鑰率紀(jì)錄，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，為高帶寬需求下的量子通信規(guī)模化部署奠定基礎(chǔ)。

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(lái)自科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委等多個(gè)項(xiàng)目的支持。