以下文章來源于硅臻，作者SILICONEXTREME

以量子密鑰分發(fā)(QKD)為核心的量子保密通信是保障下一代信息安全的核心手段之一。合肥硅臻芯片技術(shù)有限公司聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子信息實(shí)驗(yàn)室與上海微系統(tǒng)所研究組，研制了重頻為5 GHz的集成QKD芯片，用其實(shí)現(xiàn)的QKD系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)量子誤碼率低至約0.5%，將在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖信道中實(shí)現(xiàn)1Mbps以上安全碼率的距離成功延長至150 公里，為推動(dòng)高性能QKD 系統(tǒng)的實(shí)用化發(fā)展邁出了重要一步。3月1日，該成果在線發(fā)表于光學(xué)領(lǐng)域的國際權(quán)威期刊《Laser & Photonics Reviews》。

量子密鑰分發(fā)（QKD）依托量子物理基本原理實(shí)現(xiàn)信息論層面的絕對安全，其在理論上具備保障信息安全的特性，并可從根本上抵御量子計(jì)算帶來的密碼破解威脅。安全密鑰率（SKR）是QKD 系統(tǒng)的核心量化指標(biāo)，其數(shù)值高低與穩(wěn)定性直接決定了 QKD 系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值、部署場景和安全通信能力，但其通常會(huì)隨信道距離增加呈指數(shù)級下降。提升 QKD 系統(tǒng)的工作速率是提高安全密鑰率最直接的方法，不過，隨著工作速率進(jìn)一步提升至 GHz以上，對光源的時(shí)間抖動(dòng)、量子態(tài)制備保真度、單光子探測器的響應(yīng)性能都提出了極高要求，稍有偏差會(huì)導(dǎo)致QBER上升，反而降低最終安全密鑰率。

為解決這一關(guān)鍵難題，該研究通過創(chuàng)新偏振態(tài)高精度制備方法，研發(fā)窄脈寬、低時(shí)間抖動(dòng)激光器，以及雙層超導(dǎo)納米線單光子探測器，成功實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)性能的大幅提升。團(tuán)隊(duì)提出的偏振態(tài)制備方法針對片上二維光柵耦合器（2D-GC）有限偏振消光比的痛點(diǎn)，利用片上偏振調(diào)控結(jié)構(gòu)，通過迭代調(diào)諧干涉儀中的相位調(diào)制器，將2D-GC導(dǎo)致的非理想偏振態(tài)快速收斂至理想狀態(tài)，即使光柵耦合器偏振消光比低至 10dB，也能原理上實(shí)現(xiàn)零誤碼率的偏振態(tài)制備。該方法大幅降低了對集成芯片制造精度的嚴(yán)苛要求，僅需 3 次迭代即可將偏振態(tài)制備誤差從 0.737 壓制到 10??以下，成功將系統(tǒng)量子比特誤碼率降至極低水平。

實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，在150 公里標(biāo)準(zhǔn)單模光纖下，系統(tǒng)QBER低至 0.47%，安全密鑰率達(dá)到1.076Mbps，較此前國際同類 5GHz QKD 系統(tǒng)提升 20 倍，將 Mbps 級密鑰率的傳輸距離從 100 公里拓展至 150 公里；在200 公里傳輸距離下，誤碼率僅 0.51%，安全密鑰率仍保持 105kbps，較當(dāng)前國際先進(jìn)水平提升一個(gè)數(shù)量級。

該工作實(shí)現(xiàn)了 5GHz 集成化 QKD 系統(tǒng)的實(shí)用化突破，將技術(shù)成熟度最高、應(yīng)用最為廣泛的BB84 協(xié)議的優(yōu)勢距離拓展至200公里，同時(shí)保證了系統(tǒng)的小型化、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，是實(shí)用化高性能 QKD 系統(tǒng)發(fā)展的重要一步。

該成果可為我國城際骨干量子通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供核心技術(shù)支撐，推動(dòng)量子密鑰分發(fā)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用，更填補(bǔ)了高性能城際量子通信鏈路的技術(shù)空白，為全球量子通信技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提供重要參考與示范。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202503250

主要參與人員簡介

陳巍，男，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究員，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)光學(xué)與光學(xué)工程系執(zhí)行主任，合肥硅臻芯片技術(shù)有限公司創(chuàng)始人。現(xiàn)任中國密碼學(xué)會(huì)量子密碼專業(yè)委員會(huì)副主任委員兼秘書，主要研究方向?yàn)榱孔颖Ｃ芡ㄐ拧⒓晒饬孔有酒取?/p>