潘建偉院士團隊在量子通信領域取得突破：MP-QKD 超越無中繼界限

啟明會議 

5月22-24日，“2025未來半導體產業創新大會”將于江蘇蘇州（吳中希爾頓逸林酒店）召開。本次大會由國家第三代半導體創新中心（蘇州）、西安交通大學、Flink 啟明產鏈聯合舉辦，并由趙正平、王宏興教授擔任大會主席。

大會將以“金剛石+”為核心，圍繞金剛石+化合物半導體、半導體用金剛石等關鍵產業應用難題，從高功率器件散熱、晶圓襯底制備、異質融合、拋磨技術、封裝集成等關鍵環節進行詳細探討，目前已有30+家高校/企業確認演講。

在量子通信領域，潘建偉院士團隊再次實現重大突破。他們成功完成基于模式配對（MP）協議的量子密鑰分發（QKD），性能超越無中繼界限，為構建長距離、高效率量子通信網絡開辟新路徑。

5 月 2 日，由多方研究團隊組成的聯合團隊在《Physical Review X》期刊發表論文 “Experimental Mode - Pairing Quantum Key Distribution Surpassing the Repeaterless Bound”，闡述相關研究成果。其中，張立康、Wei Li 和 Jiawei Pan 為第一作者，徐飛虎教授和潘建偉院士為通訊作者。

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QKD的無中繼限制與MP-QKD的解決方案

圖1：(a)MP-QKD的頻率跟蹤方案通信周期在量子幀（Q幀）和參考幀（R幀）之間交替。Q幀用于密鑰生成，R幀用于頻率跟蹤。R幀中的光是未調制的、強的、連續的光，以獲得足夠的檢測事件。每個框的高度反映了強度調制，顏色反映了相位調制。

(b)測量和模擬的X基誤碼率與配對時間間隔Δt的關系。綠色和藍色的點（線）是不同配對時間間隔下有無頻率跟蹤的測量誤碼率結果。紅色虛線是基于分析模型的模擬結果。在模擬中，假設線寬為100 Hz，光纖相位漂移率為4000 rad/s。

雙場（TF）QKD協議是獨立于測量設備（MDI）QKD的一種有效變體，通過基于單光子干涉實現類似于中繼器的速率損耗縮放來顯著擴展傳輸距離。TF-QKD已經在理論和實驗上得到了廣泛的研究。在實踐中，TF-QKD的實現需要相位敏感的單光子干涉，這可以通過光學鎖相環、時頻傳播或注入鎖定等技術來實現。顯著的成就已經將傳輸距離推向800-1000公里的光纖。然而，系統對相位敏感特性的電位的嚴格要求潛在地阻礙了其實際應用。

圖2：在頻率跟蹤方案下，模擬了不同激光線寬和最大配對長度下的X基誤碼率結果。顏色表示不同的X基誤差率范圍，由25.5%、27%、30%和35%的等值線描繪。

模式配對（MP）量子密鑰分發（QKD）協議具有顯著優勢，它成功擺脫了對全局相位參考的依賴，在速率損耗縮放表現上與中繼器相似，因此在未來構建大規模量子網絡方面極具競爭力。近期該協議在實驗室環境及現場試驗中的實施成果，充分彰顯了其巨大潛力。然而，即便無需全局鎖相，激光器自身引發的相位波動依舊是一大挑戰，尤其在長距離傳輸場景下更為突出。

為應對這一難題，現有兩種解決思路：其一，借助參考脈沖來估算和補償相位差，此方法可利用商用激光器搭建系統，但因相位差估技術不夠成熟，致使系統難以突破無中繼器界限；其二，運用鎖定到局部 Pound-Drever-Hall 腔的超穩定激光器，雖能跨越無中繼器界限，卻又平添了成本與復雜性。綜上所述，目前尚未能實現一款既能規避上述弊端，又兼具實用性和高性能的 MP-QKD 系統。

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MP-QKD協議的理論框架與頻率跟蹤技術

本文所提出的 MP-QKD 協議，其根基是建立在兩光子干涉過程這一原理之上。該協議巧妙地利用相對相位差來判定檢測結果，由此成功地規避了對于全局相位參考的依賴。在實際的協議執行過程中，Alice 與 Bob 分別獨自制備相干態光脈沖，并將各自制備好的光脈沖發送至 Charlie 處，由 Charlie 來實施干涉測量這一關鍵步驟。

圖3：實驗性設置。Alice和Bob將他們的相位和強度調制狀態發送給查理，以執行雙光子干涉和測量。

基于特定配對策略，Alice 與 Bob 可利用檢測結果提取密鑰信息。鑒于商業激光器存在相位波動問題，研究者們研發出一種基于快速傅里葉變換（FFT）的頻率跟蹤方案。該方案在通信周期內交替運用量子幀（Q - frame）和參考幀（R - frame），借助 R - frame 中的檢測事件估算兩激光器的拍頻，進而對 Q - frame 中的相位予以補償，以此有效延長配對長度，提升密鑰率。

此外，研究者們還構建起一套理論模型，旨在定量剖析相位噪聲對系統性能的干擾。模型涵蓋激光器線寬以及光纖相位漂移等要素，經由模擬運算不同配對時間間隔下的 X 基誤碼率，為實驗參數優化供應理論支撐。

圖4：不同信道損耗和相應標準光纖距離下的密鑰速率，其中光纖損耗系數為0.19 dB/km。

模型結果表明，在激光器線寬為100 Hz、光纖相位漂移率為4000 rad/s的條件下，系統能夠實現與超穩激光器相當的誤碼率性能，并顯著延長了最大配對長度。

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基于商業激光器的MP-QKD實驗方案與技術實現

在此次實驗中，Alice 和 Bob 運用商業光纖激光器，借助級聯的強度調制器與相位調制器，分別針對光脈沖實施強度以及相位編碼操作。待光脈沖抵達 Charlie 處的 50:50 分束器時，會在此產生干涉現象，隨后由超導納米線單光子探測器（SNSPD）負責檢測。實驗過程里，憑借電偏振控制器以及偏振分束器來校準用戶的偏振態，如此一來，得以保障較高的干涉可見度。

為達成頻率跟蹤目的，實驗巧妙地設置了 R - frame 和 Q - frame 交替開展的通信周期模式。具體而言，在 R - frame 這一階段，Alice 和 Bob 向 Charlie 發送未經調制的強連續光，借助 FFT 算法對檢測到的事件予以處理，進而估測出兩激光器的拍頻。而到了 Q - frame 階段，則依據此前獲取的頻率跟蹤成果，對檢測事件執行后選擇操作，僅保留那些相對相位差近乎為 0 和 π 的有效對。

圖5：頻率估計結果比較。

(a)通過對檢測信號執行填充零的FFT算法獲得的頻譜，多個相鄰R幀的利用引入了具有0.15MHz間隔的邊帶頻率的頻譜展寬；

(b)通過FFT直接選擇頻譜中具有最高幅度的頻率分量來估計頻率分布；

(c)我們的方法中頻率估計結果的分布；

(d)兩個激光器之間1 s內的拍頻漂移；(e)3600s期間兩個激光器之間的拍頻漂移。

在實驗過程中，研究者們精心優化了最大配對長度（Lmax）和最小配對長度（Lmin）這兩個關鍵參數，旨在實現提高有效對數量與控制 X 基誤碼率之間的良好平衡。在 403 公里標準光纖信道的實驗場景下，該系統成功實現了 47.8 bit/s 的密鑰率，這一數值達到了無中繼極限的 2.92 倍之多。實驗結果有力地驗證了頻率跟蹤方案的高效性，也充分彰顯了 MP - QKD 在實際應用場景中的巨大潛力。

此外，本次實驗還對 MP - QKD 和無相位鎖定的 TF - QKD 在不同場景下的性能表現進行了深入比較。研究發現，在短距離、低誤碼率的情況下，MP - QKD 能夠展現出更為出色的性能；而 TF - QKD 則在長距離通信領域更具優勢。這一重要發現為未來構建更加高效的 QKD 網絡提供了極具價值的參考依據。

圖6：MP-QKD（紅線）和TF-QKD（藍線在不同信道損耗和激光線寬下的密鑰速率（每脈沖比特數）。

較深的顏色表示較高的激光線寬，無重復序列界限（SKC 0）顯示為灰色虛線以供參考。