迈向实用化关键一步！中电科30所和北邮《Optica》发文，高速量子通信加速走向千家万户

经过40余年的持续发展，量子密钥分发（QKD）技术已在传输距离、速率和系统集成等方面取得了显著进展，支撑起一系列国内外的城际和城域量子通信示范网络。然而，在“最后一公里”这一关键环节上，量子通信依然面临接入速率低、组网效率不高以及与现有网络兼容性不足等挑战，成为制约其大规模应用的瓶颈。

7月3日，中国电子科技集团公司第三十研究所徐兵杰团队与北京邮电大学张一辰团队合作，在国际权威期刊《Optica》上发表研究论文，题为“High-Rate 16-node quantum access network based on passive optical network”（基于无源光网络的高速16节点量子接入网）。该研究首次实验验证了一套支持16个用户并行通信的量子接入网系统，实现了兆比特每秒（Mbps）级的密钥生成速率。

这项成果利用连续变量量子密钥分发（CV-QKD）技术，展示了其在中短距离通信中高速率、高兼容等独特优势，为解决“最后一公里”问题提供了全新思路。系统采用无源光网络架构，具备高拓展性和现实部署可行性，意味着未来用户只需通过类似家庭宽带接入的方式，就有可能享受到量子级别的通信安全保障。研究成果标志着高速量子保密通信网络距离“飞入寻常百姓家”更近了一步。论文第一作者为盘艳和边一铭，通讯作者为徐兵杰、张一辰和Stefano Pirandola。

研究背景

近年来，科学家在量子保密通信技术领域取得了许多令人振奋的突破。从设计新一代通信协议，到验证技术安全性，再到实验测试与实际应用，各个环节都在快速推进。目前国内外已经建成了一些小规模量子通信网络，多个地区也在筹划更大规模的网络部署。未来，一个能够跨越海洋、连接城市乃至个人终端的全球量子通信网络正渐行渐近，为人们带来更加安全的通信保障。尽管前景广阔，目前量子通信系统仍存在一些技术挑战。其中，信息传输速度和成本问题尤为突出。尤其是在类似家庭宽带那样需要为众多用户提供量子服务的接入网方面，对成本效益和扩展能力的要求更高，这也成为限制量子网络大规模推广的主要障碍。

现有的接入网络往往需要用一台设备与一个用户建立一对一的安全链路，就像要修建一条独立的通讯线路来连接每个家庭一样。这种“一对一”的连接方式极大地限制了量子网络规模的扩大。为了让量子网络像传统宽带一样灵活覆盖更多用户，研究人员寻找到了一种新的解决方案：通过研发适用于一对多场景的高效量子密钥分发协议，设计更灵活兼容的光纤传输架构，同时结合系统优化方法，能让它在复杂的传输环境下依然保持高性能。

理论方法

针对网络中心节点同多个终端用户之间分别生成独立安全密钥这一QAN典型应用场景，研究团队提出了高性能并行成码CV-QKD接入网协议。该协议允许多个QKD终端用户同时从位于网络中心节点的单个信源中提取不同的密钥，使网络理论成码率提高了几个数量级。

图1：点对多点协议原理及仿真结果

该协议中，网络中心节点制备高斯调制相干态，并通过广播信道，将制备的量子态同时发送给不同终端用户；各终端用户独立地对接收到的量子态做相干探测，并通过网络化参数估计、反向协商和并行私钥放大，实现多个终端用户与中心节点间，基于相同调制数据的同时、独立安全密钥生成。其中，网络化参数估计利用所有合法用户数据评估潜在窃听行为能够获取的私密信息上限，较基于单用户数据的传统方案，参数估计的紧致性极大增强、安全码率大幅提高。

反向协商中，中心节点的同一信源数据通过不同的纠错译码分别同各终端用户数据对齐，为多终端独立密钥提取奠定基础。最后，中心节点同各终端用户分别执行私钥放大，保证任一终端用户与中心节点之间的密钥对其他用户和窃听者均完全私密。该过程中，量子信号功率极小、接收端信噪比极低，天然降低了终端用户数据之间的关联。同时，合法终端用户不与窃听者合作，用户关联不会为窃听者提供增益。

这些特性允许用户间解耦和用户与潜在窃听者解耦同时进行，以最小代价实现“独立性”和“安全性”。上述过程中，协议设计、参数估计、数据协商和私钥放大相辅相成，确保该协议在复杂信道环境、极高网络容量下，仍能实现中心节点与不同用户间高速率、高安全性地密钥生成。

实验方法

实验采用下行无源光网络传输架构，中心节点生成量子信号，并通过“广播”方式同时发送给多个终端用户，每位用户使用自己的设备独立接收并处理这些信号。在实验过程中，研究团队主要面临三方面挑战：首先，实验过程需要对多个探测端进行散粒噪声电噪声校准，而每个探测器的噪声不仅性能有所差异且随时间变化，导致探测端噪声校准困难；其次，由于系统复杂，量子信号受到不同激光器线宽和波长漂移、链路散射、器件非理想响应等多种效应影响，导致系统各节点的过噪声抑制难度大；第三，链路衰减大且各节点不一致（如16节点量子接入网系统中测试的四个节点衰减分别为15.15dB、14.95dB、14.62dB和15.77dB），各接收端量子信号信噪比极低且不集中，同时各节点量子信号信噪比还随时间波动，导致数据后处理的纠错译码难度大。

图2：基于下行无源光网络的量子接入网实验系统

针对上述问题，研究团队在以下几个关键技术方面实现了突破：

1）散粒噪声与电噪声实时一次校准。通过级联高消光比声光调制器实现量子信号间隔通信，留出一定散粒噪声校准时隙，同时结合散粒噪声与电噪声一次校准模型，实现散粒噪声与电噪声实时一次校准，避免繁琐的接收端噪声校准过程的同时，可实现高精度校准；

2）时域叠加训练序列增强。通过参考信号和训练序列，分别实现相位噪声、频漂、链路和器件响应等效应的快速高精度补偿。特别是针对时域均衡过程中由于训练序列信噪比有限导致的算法收敛慢和精度低，提出了时域叠加训练序列增强方法，在保证训练序列信噪比的同时可缓解强训练序列对量子信号的影响；

3）分级纠错译码。通过对不同节点恢复的原始密钥信号进行信噪比分级，对应设计12个性能优异的纠错矩阵，使得每个节点量子密钥纠错性能均能得到保障。

在16个用户节点并传输6公里光纤链路的情况下，研究所提出的量子接入网系统的平均安全码率为2.086 Mbps。此外，还研究了4和8个用户节点的场景。对于同时接入4用户节点的系统，经过30公里光纤链路传输后平均安全码率为4.237 Mbps。在8个用户节点情况下，经过15公里光纤链路传输后平均安全码率为3.303 Mbps。

图3：不同传输场景下的实验结果及对比

上述结果与使用点对点协议的现有网络（47.5 kbps @ 16.2 km和49.5 kbps @ 18 km）相比，该点对多点量子接入网系统平均安全码率提高2个数量级。即使与基于波分复用的方案相比（303 kbps @ 16.2 km），该系统的性能仍提高1个数量级。同时，与近期丹麦科技大学提出的点对多点协议相比较（8个用户节点并传输11km光纤链路情况下，平均安全码率为263kbps），该方案的性能也提升1个数量级。

未来展望

鉴于该方案所展现出的卓越性能，未来有望在国防、党政、金融等对信息安全要求极高的领域广泛推广应用，助力构建高效的量子保密通信网络体系，显著提升整体网络系统效能。此外，该方案亦具备良好的拓展性，可进一步应用于纠缠分发网络与量子互联网架构中。通过在网络服务器部署连续变量量子光源，并结合分束器结构的点对多点光纤链路，可同时支持多个终端用户接收量子信号，为整体网络量子态的构建与分析提供了可行路径。在此基础上，量子互联网的拓扑结构将实现有效简化，原本需大量点对点连接的架构可被与传统网络设备兼容的点对多点结构所取代。因此，该方案有望成为下一代量子互联网中终端用户接入的关键支撑技术。

作者介绍

徐兵杰，中国电子科技集团公司第三十研究所研究员，中国电子科技集团公司首席专家，保密通信全国重点实验室主任，长期从事量子密码和量子通信等技术研究。主持国家自然科学基金重点/面上/青年、863、XX基础科研重点等国家/省部级重点项目30余项；已在国内外知名学术期刊上发表SCI检索论文80余篇，申请发明专利120余项，牵头/参与相关国家行业标准10余项，获得国家/省部级科技奖励6项。

张一辰，北京邮电大学副教授、博士生导师，长期从事量子密钥分发和量子时频等量子技术研究；先后实现了世界上首个五十公里商用光纤、首个芯片化、首个突破两百公里以及首个应用示范连续变量量子密钥分发系统；主持国家自然科学基金联合基金重点项目、国家密码科学基金项目等国家/省部级项目20余项；在Nat. Photonics、Phys. Rev. Lett.、Optica等国际知名期刊上发表相关研究成果70余篇（含4篇ESI高被引），被引次数超过3300余次；出版学术专著两部（《连续变量量子保密通信》、《量子密钥分发实际安全性分析和测评》）。

参考链接

https://doi.org/10.1364/OPTICA.553783