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。合肥硅臻芯片技術有限公司聯合中國科學技術大學量子信息實驗室與上海微系統(tǒng)所研究組，研制了重頻為5 GHz的集成QKD芯片，用其實現的QKD系統(tǒng)的實驗量子誤碼率低至約0.5%，將在標準單模光纖信道中實現1Mbps以上安全碼率的距離成功延長至150 公里，為推動高性能QKD 系統(tǒng)的實用化發(fā)展邁出了重要一步。3月1日，該成果在線發(fā)表于光學領域的國際權威期刊《Laser & Photonics Reviews》。

量子密鑰分發(fā)（QKD）依托量子物理基本原理實現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，其數值高低與穩(wěn)定性直接決定了 QKD 系統(tǒng)的實際應用價值、部署場景和安全通信能力，但其通常會隨信道距離增加呈指數級下降。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，隨著工作速率進一步提升至 GHz以上，對光源的時間抖動、量子態(tài)制備保真度、單光子探測器的響應性能都提出了極高要求，稍有偏差會導致QBER上升，反而降低最終安全密鑰率。

為解決這一關鍵難題，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、低時間抖動激光器，以及雙層超導納米線單光子探測器，成功實現了系統(tǒng)性能的大幅提升。團隊提出的偏振態(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，利用片上偏振調控結構，通過迭代調諧干涉儀中的相位調制器，將2D-GC導致的非理想偏振態(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，也能原理上實現零誤碼率的偏振態(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。

實驗測試結果表明，在150 公里標準單模光纖下，系統(tǒng)QBER低至 0.47%，安全密鑰率達到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，較當前國際先進水平提升一個數量級。

該工作實現了 5GHz 集成化 QKD 系統(tǒng)的實用化突破，將技術成熟度最高、應用最為廣泛的BB84 協(xié)議的優(yōu)勢距離拓展至200公里，同時保證了系統(tǒng)的小型化、穩(wěn)定性和可擴展性，是實用化高性能 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絡的建設提供核心技術支撐，推動量子密鑰分發(fā)從實驗室走向實際應用，更填補了高性能城際量子通信鏈路的技術空白，為全球量子通信技術的創(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，中國科學技術大學研究員，中國科學技術大學光學與光學工程系執(zhí)行主任，合肥硅臻芯片技術有限公司創(chuàng)始人。現任中國密碼學會量子密碼專業(yè)委員會副主任委員兼秘書，主要研究方向為量子保密通信、集成光量子芯片等。