中國科學技術大學研究人員在國際上首次實現突破弱相干態成碼率極限的單光子源量子密鑰分發，為探索單光子源在量子通信和量子網絡中的廣泛應用奠定基礎。相關研究成果以“”為題于2025年5月29日發表在國際學術期刊《物理評論快報》雜志上，被選為編輯推薦論文（Editors’ Suggestion），并被美國物理學會（APS）下屬網站Physics所報道。

量子密鑰分發為什么能夠保證通信安全？未來“量子互聯網”又將如何通過更安全的加密改變我們的生活？

量子密鑰分發：保障通信安全性

現代社會，人與人之間的通信日益頻繁，如何保障通信安全性已逐漸成為一個至關重要的問題。為了保證信息的安全，人們在將信息傳遞給接收者之前，利用密鑰對其進行加密，而后接收者基于密鑰對加密信息進行解密。若要實現兩個相距遙遠的通信節點間的安全密鑰共享，就需要一種安全的密鑰傳輸方式，而量子密鑰分發（QKD）作為目前最安全的密鑰傳輸方式，可做到信息論安全的密鑰傳輸。

QKD基于量子力學原理，利用單光子態不可克隆特性及海森堡測不準原理，提供密鑰生成與分發的原理上無條件安全性。其通過量子態編碼傳遞密鑰，任何竊聽行為均會擾動量子態而被檢測。相較于傳統依賴計算復雜度的加密算法，QKD可從物理層面抵御量子計算攻擊，顯著增強金融、政務等高密級信息系統的長期安全性，是未來通信安全的核心技術。

目前，通過誘騙態協議與雙場協議，基于弱相干光源的量子密鑰分發技術持續優化：光纖鏈路中傳輸距離已突破千公里，自由空間星地信道通過衛星實驗跨越千公里級，密鑰生成速率也從每秒千字節提升至百兆字節量級。

但是，衰減激光器這類弱相干光源產生的光脈沖中，光子數服從泊松分布，導致每個脈沖中含單光子成分的概率較低，且存在1/e的理論上限，還容易受環境噪聲干擾，易被竊聽者獲取密鑰信息，限制了基于弱相干光源的量子密鑰分發所能達到的密鑰產生速率。

理論上，量子點單光子源在單光子成分含量上可以突破弱相干光源的理論極限，但因效率不足、多光子噪聲等問題，此前從未有物理體系的單光子源在實驗上突破弱相干光源的碼率極限。

▲圖 1 上圖為自由空間外場實驗場景，下圖為單光子源量子密鑰分發實驗示意圖

更高效的“量子加密”：“量子互聯網”觸手可及

針對這個問題，研究團隊首先針對傳統弱相干光源QKD存在的多光子成分和成碼率瓶頸，通過兩大大核心技術突破實現了單光子源QKD的里程碑進展：

1. 高效量子點單光子源：基于砷化銦量子點，其單光子系統效率達 71%（單光子成分超傳統光源極限 94%），法布里 - 珀羅腔的濾波技術將多光子成分進一步壓低至 0.007，系統綜合性能為全球頂尖水平。

2. 低損耗高保真量子態調制技術：在 76.13 MHz 高重復頻率下實現量子密鑰分發光源綜合效率0.292，誤碼率僅 2.54%，適配復雜環境部署。

在實驗室內測試中，每秒成碼率達5.65×10-2比特，較傳統光源提升 247%。在外場自由空間信道實驗測試中，在14.6dB損耗下實現了1.08×10-3每脈沖的安全成碼率，超出弱相干光源QKD碼率極限達到79%，并且在 5 至15 dB 動態損耗范圍內，單光子源QKD性能全面超越傳統技術。這充分展示了單光子源在實際量子密鑰分發系統中的成碼率優勢，為探索單光子源在量子通信和量子網絡中的廣泛應用奠定基礎。

▲圖 2：單光子源量子密鑰分發實驗結果圖

未來，該項突破不僅能通過高頻集成化，開發千兆赫茲級量子點芯片，匹配 6G 通信速率，推動量子安全與經典網絡深度融合；更能通過全球組網驗證，構建多節點自由空間量子通信試驗網，為星地量子鏈路與量子星座組網提供技術儲備。相信在不遠的未來，“量子互聯網”將不再遙遠。