我科學(xué)家實(shí)現(xiàn)百兆比特率量子密鑰分發(fā)

  ICC訊 在應(yīng)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?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)更頻繁的密鑰交換，為更多的網(wǎng)絡(luò)用戶或高數(shù)據(jù)率的應(yīng)用提供服務(wù)，幫助實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)、醫(yī)療數(shù)據(jù)共享和分布式存儲(chǔ)加密等。在理論方面，為了實(shí)現(xiàn)可接受的積累時(shí)間，科學(xué)家已經(jīng)對(duì)嚴(yán)格的有限密鑰分析進(jìn)行了充分研究。

  近日，中國(guó)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(tǒng)所、濟(jì)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，通過發(fā)展高保真度集成光子學(xué)量子態(tài)調(diào)控、高計(jì)數(shù)率超導(dǎo)單光子探測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)百兆比特率的實(shí)時(shí)量子密鑰分發(fā)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將此前的成碼率紀(jì)錄提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。3月14日，這一成果論文在線發(fā)表于國(guó)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，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(jié)，雙方通過密碼驗(yàn)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(xiàn)無條件安全的保密通信。

  量子密鑰分發(fā)允許遠(yuǎn)程方提取信息論安全的密鑰，這已經(jīng)引起了科學(xué)界長(zhǎng)達(dá)數(shù)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解。在應(yīng)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?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)更頻繁的密鑰交換，為更多的網(wǎng)絡(luò)用戶或高數(shù)據(jù)率的應(yīng)用提供服務(wù)，幫助實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)、醫(yī)療數(shù)據(jù)共享和分布式存儲(chǔ)加密等。在理論方面，為了實(shí)現(xiàn)可接受的積累時(shí)間，科學(xué)家已經(jīng)對(duì)嚴(yán)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(duì)量子密鑰分發(fā)的實(shí)用化起著至關(guān)重要的作用。高碼率可為更多用戶提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)共享、分布式存儲(chǔ)加密等高帶寬需求的應(yīng)用。此前國(guó)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(xiàn)更高密鑰率

  “為了實(shí)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(shù)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(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(jì)數(shù)率能力的單光子探測(cè)器不可或缺，超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPD）具有高效率和低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，但其計(jì)數(shù)率通常受到較長(zhǎng)恢復(fù)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(diào)制技術(shù)，系統(tǒng)重頻達(dá)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(tuán)隊(duì)最新研制的八像素SNSPD，實(shí)現(xiàn)了高計(jì)數(shù)率、高效率的單光子探測(cè)，在每秒輸入5.5億個(gè)光子時(shí)仍能保持62%的探測(cè)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，他們開發(fā)了一個(gè)高速、穩(wěn)定的QKD系統(tǒng)，一個(gè)用于低誤差調(diào)制的集成發(fā)射器以及用于高速檢測(cè)和快速后處理算法的多像素SNSPD。此外，實(shí)驗(yàn)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(shù)突破的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了10公里標(biāo)準(zhǔn)光纖信道下115.8兆比特/秒的密鑰率，較之前紀(jì)錄提高了約一個(gè)數(shù)量級(jí)；系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行超過50個(gè)小時(shí)，在傳輸距離328公里下碼率超過200比特/秒。

  QKD可實(shí)現(xiàn)百兆比特率的實(shí)時(shí)密鑰分發(fā)，滿足高帶寬通信需求，這對(duì)未來量子通信的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

  中國(guó)是目前全球在量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面成果最多的國(guó)家。量子城域網(wǎng)、量子骨干網(wǎng)和量子局域網(wǎng)的建設(shè)，為下一步更多領(lǐng)域接入保密通信網(wǎng)所帶來的廣泛應(yīng)用提供了必要基礎(chǔ)設(shè)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(lǐng)域創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)，并使QKD更接近廣泛應(yīng)用階段?！?