作為連續變量量子密鑰分發的重要實現方法，PSP-CVQKD方案利用熱源正則分量的內稟真隨機性實現連續變量量子密碼通信中互不對易相干光場正則分量的高斯隨機性編碼。因此該方案無需量子真隨機數發生器、幅度和相位調制器進行主動量子態編碼制備，可極大降低系統復雜度和實現成本，同時避免了高速高斯調制在高消光比和穩定性上實現難題。由于從接收方及竊聽者視角，發送量子態的被動制備與主動制備并沒有本質區別，只是被動態制備的外差探測引入了被動態制備噪聲，方案安全性與主動態制備高斯調制相干態連續變量量子密鑰分發等效，同樣具備信息理論安全性。

針對CVQKD高速安全成碼問題，本工作開展了理論與實驗研究，主要取得了如下成果：提出了基于高速零差探測及高速數據采樣的隨路本振高碼率PSP-CVQKD方案，消除了低探測帶寬引入的安全成碼瓶頸，同時提出了針對高速PSP-CVQKD的綜合噪聲抑制方法，主要包括被動態制備及偏振泄露過噪聲。通過利用ASE光源、高增益放大器和窄帶濾波構成等效高效率熱源，并引入高衰減被動分光實現高效被動態制備噪聲抑制；通過使用高隔離度偏振復用技術及偏振監控技術實現了偏振噪聲抑制。

基于以上方法將系統總體過噪聲控制到平均0.047安全成碼范圍，同時使用高帶寬光電探測及高速信號采樣實現了等效調制頻率達23GHz的高速CVQKD，國際上首次將量子密鑰分發安全密鑰率提升到Gbps級別，其在無限碼長條件下安全密鑰率達到5.005km標準單模光纖下1.09Gbps，安全傳輸距離超過10km。

該工作的意義在于，驗證了被動態制備連續變量量子密鑰分發方案的高安全成碼特性，首次將接入網內量子密鑰分發安全成碼提升到Gbps量級，為實現高速量子保密通信接入提供了新的簡易化解決方案，并進一步為高速集成化CVQKD提供了參考方案。

值得一提的是，曾貴華教授、黃鵬副研究員等人近年來潛心高性能光纖及自由空間量子保密通信方面研究，已取得系列創新成果，代表性成果包括：基于商用集成化相干光通信器件的小型化高速CVQKD技術[New J. Phys, 26: 023002 (2024)]、首個熱態被動態制備連續變量子密鑰分發完整成碼實驗[New J. Phys., 23: 113028, 2021]、系列自由空間CVQKD關鍵技術[PRA 99: 032326 (2019); PRApplied, 12: 024041 (2019); Opt. Express, 28: 10743 (2020); Optics Letters, 45: 5921 (2020); Opt. Express, 29: 25048 (2021); Optics Express, 31: 7383 (2023)]、首個霧氣信道下CVQKD安全成碼實驗驗證[Optics Letters, 46: 5858 (2021)]、以及首個湍流信道下CVQKD安全成碼實驗驗證[Optics Letters, 48: 1184. (2023)]。

論文信息

論文第一作者為電院碩士生季飛宇和黃鵬副研究員，通訊作者為電院黃鵬副研究員，其他作者包括王濤副教授、曾貴華教授和東華大學蔣學芹教授。相關研究工作得到科技創新2030國家重大專項、上海市重大專項、國家自然科學基金以及廣東省重點研發計劃的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1364/PRJ.519909