- 张鹤千;华昕;王子骥;韩雁鑫;颜旭;陈代高;肖希;韦克金;
量子密钥分发(QKD)作为基于量子力学原理的安全通信技术,其系统集成化是实现实用化的关键。集成光量子技术凭借其稳定、紧凑的器件制造优势以及高效操控光量子态的生成、传输与探测的能力,为QKD系统的大规模部署和商用化推广提供了突破性解决方案。当前多种集成平台各具特色,其中硅基光子学凭借其互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容性、高集成度等显著优势,已成为推动QKD系统芯片化发展的主要方向之一。文章重点关注硅基光子学平台,梳理了QKD系统演示方案的最新研究进展。
2025年03期 No.249 5-15页 [查看摘要][在线阅读][下载 1765K] - 李振华;韩雁鑫;窦天琦;颜旭;华昕;肖希;唐建军;
【目的】模式匹配(MP)-量子密钥分发(QKD)因其突破了无中继量子信道码率-距离限制,并且无需相位锁定,受到广泛关注。然而,随着QKD系统频率的提升,探测器的后脉冲效应逐渐显现,并对系统的安全性和鲁棒性产生了不利影响。【方法】文章提出了一种基于MP-QKD的后脉冲改进方案,并且通过优化系统参数减少了后脉冲效应对安全密钥率的影响。【结果】研究结果表明,在后脉冲概率高达10%的情况下,文章所提方案也能保证在长距离下系统的安全密钥率仍能保持与无后脉冲情况下的基准曲线相当,表明此方案具有较强的鲁棒性。【结论】文章所提MP-QKD改进方案能够有效抑制后脉冲效应的影响,提升系统在高频率和长距离通信中的稳定性和安全性。未来,随着QKD技术的普及和高频系统的广泛应用,提升MP-QKD在更加复杂的通信场景中的表现,将有效促进量子通信网络的规模化部署和商业化应用。
2025年03期 No.249 16-22页 [查看摘要][在线阅读][下载 1487K] - 琚志平;覃俭;马若岩;蒋燕阳;王敏杰;叶大鹏;徐光照;邢俊杰;肖游;李浩;史经浩;尤立星;吕超林;
【目的】文章旨在设计并实现一种基于Gifford-McMahon(GM)制冷机的自由空间耦合超导条带单光子探测(SNSPD)系统,以解决传统光纤耦合方式系统在近/中红外波段和偏振敏感等应用中的局限性,进一步拓展SNSPD的应用场景。【方法】文章重点解决了低振动恒温腔设计、高温区SNSPD器件制备和跨温区滤波光路设计等关键技术问题。其中,低振动恒温器结合气体交换腔和波纹管软连接技术,有效抑制了制冷机的振动传导;SNSPD芯片通过调整优化无序氮化钛铌(NbTiN)薄膜的生长参数,实现了4.2 K温区的高探测效率;跨温区滤波光路采用多种商用滤波片组合和封装盒氧化发黑处理等手段成功抑制了环境杂散光和黑体辐射。【结果】低振动制冷机的最低温可达3.45 K,并可长期稳定在3.75 K,竖直方向的振动幅度峰峰值小于4μm,光学对准效率接近90%;系统探测效率(SDE)在最低温时可达50%,系统暗计数率(DCR)为70 cps。【结论】文章所提系统解决了传统光纤耦合方式系统在特定应用场景中的技术瓶颈,其具备优异的波长普适性、灵活的信号光耦合调谐能力以及出色的偏振保持特性。未来通过优化系统工作温度、器件制备工艺和定制滤波片加工,有望实现更高的SDE和更低的DCR。
2025年03期 No.249 23-28页 [查看摘要][在线阅读][下载 1769K] - 张敏;范亚男;寇芸洁;朱雁兵;尚佳奇;王斐然;
光子轨道角动量(OAM)由于螺旋相位和高维量子特性,在量子计算方面有着巨大的应用潜力。文章基于当前已有的研究工作,介绍了OAM的重要发展历程以及各领域的相关应用,并给出了基于OAM的量子逻辑门以及其实验实现的相关工作,如高维非门、交换门和控制门等。同时,介绍了几种基于OAM的量子算法。近年来,OAM在量子计算方面的研究成为一大热点领域,但该领域尚处于发展阶段,还有很多技术和理论上的挑战需要克服。相信随着科技的进步,其在未来具有非常广阔的发展前景。
2025年03期 No.249 29-36页 [查看摘要][在线阅读][下载 1668K] - 陈乐贤;周慧;付玉笛;
【目的】开发量子与通信融合设备,实现单模光纤网络中的量子信号与经典信号共纤传输,可有效推动量子密钥分发(QKD)技术的应用推广。【方法】文章通过对共纤传输的需求和关键技术进行分析,提出了一种在C波段密集波分复用(DWDM)系统中连续变量(CV)QKD信号与经典信号共纤传输的方法,并首次将QKD系统集成到光通信传输设备之中。【结果】实验测试结果证明,在C波段内CV-QKD可以与C96波段经典信道共存,在67 km链路20.5 dB衰减情况下,可获得0.42 kbit/s的密钥速率。【结论】文章所提方案在量子密钥成码率(SKR)、稳定性和共纤兼容性等方面具有较好性能。文章进一步对量子网络应用方案进行了分析展望,为构建一体化量子安全通信网络提供了技术支持。
2025年03期 No.249 37-43页 [查看摘要][在线阅读][下载 2169K] - 戴桦;孙歆;毛易宁;李一璇;吕玉祥;王红艳;郁小松;
【目的】量子密钥分发网络(QKDN)是量子密钥分发(QKD)的规模化建设,通常部署于光纤通信基础设施网络。基于量子物理学原理,QKDN中的密钥分发过程被视为理论上的绝对安全,任何未授权的干扰或测量都会破坏量子态从而被立即检测到,确保了通信的安全性和完整性。然而,由于量子态存储技术尚未成熟,由点到点QKD扩展至多点到多点QKDN需要借助经典技术实现,新的安全威胁也随之而来。拒绝服务(DoS)攻击是经典网络中的一种常见攻击形式,被攻击者广泛利用,QKDN的应用层同样面临安全挑战。【方法】文章提出了一种自适应范围阈值(ART)检测方法来检测DoS攻击,通过网络流量模式的异常波动自动调整阈值,从而灵活识别和响应DoS攻击。【结果】仿真结果表明,基于ART的DoS攻击检测方法使检测成功率(DSR)达到80%以上。另外,从延迟时间和请求成功率两个角度衡量了QKDN的网络安全性。【结论】文章通过设置动态阈值识别网络潜在的安全威胁,并从多维度对网络安全性做出评估,为QKDN实际运行提供了一种有效的安全测评方法,也为未来制定量子信息网络安全防御策略奠定了基础。
2025年03期 No.249 44-49页 [查看摘要][在线阅读][下载 1576K]