硅臻携手中科大成功研发5GHz重频低误码量子密钥分发集成芯片

以下文章来源于硅臻，作者SILICONEXTREME

以量子密钥分发(QKD)为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。合肥硅臻芯片技术有限公司联合中国科学技术大学量子信息实验室与上海微系统所研究组，研制了重频为5 GHz的集成QKD芯片，用其实现的QKD系统的实验量子误码率低至约0.5%，将在标准单模光纤信道中实现1Mbps以上安全码率的距离成功延长至150 公里，为推动高性能QKD 系统的实用化发展迈出了重要一步。3月1日，该成果在线发表于光学领域的国际权威期刊《Laser & Photonics Reviews》。

量子密钥分发（QKD）依托量子物理基本原理实现信息论层面的绝对安全，其在理论上具备保障信息安全的特性，并可从根本上抵御量子计算带来的密码破解威胁。安全密钥率（SKR）是QKD 系统的核心量化指标，其数值高低与稳定性直接决定了 QKD 系统的实际应用价值、部署场景和安全通信能力，但其通常会随信道距离增加呈指数级下降。提升 QKD 系统的工作速率是提高安全密钥率最直接的方法，不过，随着工作速率进一步提升至 GHz以上，对光源的时间抖动、量子态制备保真度、单光子探测器的响应性能都提出了极高要求，稍有偏差会导致QBER上升，反而降低最终安全密钥率。

为解决这一关键难题，该研究通过创新偏振态高精度制备方法，研发窄脉宽、低时间抖动激光器，以及双层超导纳米线单光子探测器，成功实现了系统性能的大幅提升。团队提出的偏振态制备方法针对片上二维光栅耦合器（2D-GC）有限偏振消光比的痛点，利用片上偏振调控结构，通过迭代调谐干涉仪中的相位调制器，将2D-GC导致的非理想偏振态快速收敛至理想状态，即使光栅耦合器偏振消光比低至 10dB，也能原理上实现零误码率的偏振态制备。该方法大幅降低了对集成芯片制造精度的严苛要求，仅需 3 次迭代即可将偏振态制备误差从 0.737 压制到 10⁻⁴以下，成功将系统量子比特误码率降至极低水平。

实验测试结果表明，在150 公里标准单模光纤下，系统QBER低至 0.47%，安全密钥率达到1.076Mbps，较此前国际同类 5GHz QKD 系统提升 20 倍，将 Mbps 级密钥率的传输距离从 100 公里拓展至 150 公里；在200 公里传输距离下，误码率仅 0.51%，安全密钥率仍保持 105kbps，较当前国际先进水平提升一个数量级。

该工作实现了 5GHz 集成化 QKD 系统的实用化突破，将技术成熟度最高、应用最为广泛的BB84 协议的优势距离拓展至200公里，同时保证了系统的小型化、稳定性和可扩展性，是实用化高性能 QKD 系统发展的重要一步。

该成果可为我国城际骨干量子通信网络的建设提供核心技术支撑，推动量子密钥分发从实验室走向实际应用，更填补了高性能城际量子通信链路的技术空白，为全球量子通信技术的创新发展提供重要参考与示范。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202503250

主要参与人员简介

陈巍，男，中国科学技术大学研究员，中国科学技术大学光学与光学工程系执行主任，合肥硅臻芯片技术有限公司创始人。现任中国密码学会量子密码专业委员会副主任委员兼秘书，主要研究方向为量子保密通信、集成光量子芯片等。