量子密钥分发(QKD)允许远程方提取信息论安全的密钥，这已经引起了科学界数十年的关注。QKD不仅提供了量子安全的密码解决方案，而且还为了解奇妙的量子世界提供了深刻见解。在应用方面，提高QKD的密钥速率(SKR)是最紧迫的任务之一，因为它可以实现更频繁的密钥交换，为更多的网络用户或高数据率的应用（如关键基础设施保护、共享医疗数据和分布式存储加密）提供服务。在理论方面，为了实现可接受的积累时间，已经对严格的有限密钥分析进行了充分研究。

　　在这项研究中，中国科学技术大学的潘建伟院士和徐飞虎教授报告了一种QKD系统，该系统能够在10公里标准光纤以高达115.8 Mb/s的创纪录SKR生成秘钥，并在长达328公里超低损耗光纤上分发密钥。这种能力得益于多像素超导纳米线单光子探测器具有超高的计数率，集成发射器能够以低误差稳定编码偏振态，快速后处理算法可实时生成密钥，以及高系统时钟速率的运行。这些结果表明，利用光子技术实现实用的高速QKD是可行的，为其广泛应用提供了可能性。相关研究成果题为“High-rate quantum key distribution exceeding 110 Mb s–1”已在《Nature Photonics》上发表，第一作者是李蔚和张立康。

　　作者建立了图1a中描述的系统来实现BB84协议。分布式反馈激光器通过 120ps 脉冲进行增益切换，泵浦强度经过精心调谐，能够在 1550.12nm 处生成 2.5GHz 相位随机脉冲流。由于放大的自发发射过程，每个新的脉冲都有一个随机的相位，从而满足了诱骗状态协议的相位随机化假设。光通过一个一维光栅耦合器被耦合到一个硅光子芯片调制器。

　　芯片调制器（图1b）通过强度调制器调制诱饵状态的强度，通过偏振调制器编码偏振状态，并通过衰减器将光衰减到单光子水平。作者通过优化偏振调制器第一阶段的TOM的偏压来对抗相位依赖性损耗的影响，并优化CDM的设计以提高其调制效率。通过精确控制参数和开发一个用于电子控制的自制现场可编程门阵列，作者能够以23.7dB的平均偏振消光比动态调制四个BB84状态，这对应0.4%的内在QBER。

　　受益于非对称基配置，两个八像素的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）被用于Z基以适应高光子率，而两个单像素的SNSPD被用于X基以进行标准光子检测。八个像素的SNSPD有八个交错的纳米线微米的圆形活性区域，纳米线纳米（线宽），横向周期（间距）为180纳米（图1c）。线宽和间距的选择是为了确保接近统一的吸收和相当大的制造余量。每个像素的电信号被放大并独立读出。如图2a所示，当检测器D1（D2）的偏置电流设置为9（10）μA时，总效率为78%（78%），总暗计数为每秒52（31）次。在这个偏置电流下，单个像素的定时抖动的半最大值全宽约为60ps。图2b显示了高光子通量下的性能。作者拟合计数率对输入光子通量的依赖性，以描述多像素SNSPD的等效死区时间。拟合的死区时间是0.7纳秒，这用于关键速率模拟和优化。亚纳秒的死区时间确保了八像素SNSPD的最大计数率为每秒342兆次。相比之下，对于单像素SNSPD22来说，50纳秒的死区时间是一个典型值，当计数率超过每秒20兆计数时，它就会达到饱和。

　　利用所描述的装置，作者使用标准光纤和超低损耗光纤线轴进行了一系列从短距离到长距离传输的实验室实验。图3显示了有限块大小nZ=10 8的模拟和实验结果。10、50和101公里标准光纤的测量SKRs为115.8±8.9、22.2±0.8和2.6±0.2 Mb s-1。这是已报道的QKD系统中最高的SKR。

　　在长距离情况下，作者在328公里的超低损耗光纤（55.1dB信道损耗）上展示了233±112比特/秒的SKR，运行时间为29.5小时。QBER增加到2.8±0.4%，这主要是由暗计数噪声（1.4%）和偏振失准造成的。作者把在如此长的光纤上成功的偏振分布归功于一种先进的偏振补偿技术，该技术使用强脉冲作为控制算法的反馈信号。这个结果也代表了偏振编码QKD系统中最长的光纤通道距离。通过采用过滤技术来减少SNSPD11的暗噪声，安全距离可能会进一步延长。

　　图4a显示了50公里光纤上50小时的稳定性测试结果，这证实了系统连续运行的稳定性。为了验证后处理速度，图4b显示了在10公里光纤通道下运行5小时期间对3444个数据块进行后处理的筛分和SKRs。每个数据点都是在nZ累积到108比特的大小时获得的。纠错和隐私放大的处理速度显示在同一图上。平均处理速度为344 Mb s-1，平均纠错效率f为1.053；帧错误率为0.021%，在计算f时考虑到了这一点。纠错和隐私放大的后处理速度已经超过了高速密匙提取的平均筛分率308.8 Mb s-1。

　　小结：综上所述，作者报告了一个能够以超过115Mb s-1的速率传递密匙的QKD系统。作者开发了一个高速和稳定的QKD系统，一个用于低误差调制的集成发射器和用于高速检测和快速后处理算法的多像素SNSPD。作者的实验证明了具有交错纳米线的多像素SNSPD在高速QKD中的卓越性能。虽然多像素SNSPD需要低温冷却，但作者的装置可以很容易地在骨干QKD链路中采用，以提高带宽并支持更多的用户。它也适用于上游量子接入网络，其中大量的发射器复用一个检测器。此外，作者设置中使用的硅集成调制器可以在成本、尺寸和稳定性方面为用户带来好处。总的来说，这里展示的密钥率的大幅提高有可能在数据安全最重要的领域打开新的机会，并使QKD更接近于广泛的应用。

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