近日，南京邮电大学通信与信息工程学院王琴教授团队在实用化量子密钥分发网络方面取得系列重要研究进展，在国际知名期刊发表2篇重要学术论文。

　　论文“A Directly Modulated Laser Platform for High-Dimensional Quantum Key Distribution”发表于光学领域国际知名期刊Photonics Research（DOI：10.1364/PRJ.588031），南邮通信与信息工程学院量子信息技术研究所周阳博士生与周星宇副教授为论文的共同第一作者，王琴教授为通讯作者，北京量子信息科学研究院袁之良研究员团队对该工作有重要贡献。论文“Reference-frame-independent quantum key distribution network with directly-modulated sources”发表于物理学领域知名学术期刊Physical Review A（DOI：10.1103/szbp-b3ny）上，南邮通信与信息工程学院量子信息技术研究所周星宇副教授与吴淑帆硕士生为论文共同第一作者，王琴教授为通讯作者，俄罗斯莫斯科国立师范大学Pavel Victorovich Morozov团队对该工作有重要贡献。实地实验开展得到学校信息化建设与管理办公室在校区间光纤链路接入与运行保障方面的大力支持。 

　　量子密钥分发（QKD）基于量子力学基本原理，原则上能够为通信提供信息论安全的保障。在远距离大容量量子网络应用场景，现有QKD系统仍面临传输速率、噪声容忍能力、复杂度和长期稳定性等诸多挑战。高维QKD能够突破传统二维协议在信息容量、噪声容忍度和安全阈值上的内在限制，在相同探测速率或相同信道带宽条件下能够获得更高的密钥率，因而成为当前量子通信领域的重要研究方向之一。然而现有高维QKD系统往往依赖复杂的量子态制备和测量结构，制约其进一步实用化与集成化发展。

图1 高维QKD实验系统结构示意图

图2 该工作与已报道高维QKD实验密钥率对比图

　　针对以上问题，团队设计了基于直调光源的高维编解码平台，搭建重复频率为312.5 MHz的高维QKD系统，分别基于200 km和250 km传输距离的室内光纤进行了实验验证；实验结果展示，在相同的硬件条件下，该高维QKD系统具有明显优于传统二维方案的性能优势。该工作为未来构建低复杂度、高性能、可集成的远距离高维QKD系统奠定了基础。

图3 实地参考系无关QKD网络结构示意图

　　另一方面，面向多用户量子网络实地应用场景，周围环境变化会导致不同QKD网络节点之间的参考系持续发生漂移，传统QKD系统需要在不同节点之间进行频繁的参考系校准，增加了网络运维的复杂度和成本。参考系无关QKD协议可降低对实时对准的依赖，为构建低维护、可扩展的量子安全网络提供了重要解决方案。

　　在参考系无关QKD网络研究中，团队提出并构建了基于直接调制光源的三节点QKD网络架构。系统在53 km已铺设城域（南京邮电大学三牌楼-仙林两校区间）光纤链路上实现了连续24小时免参考系校准运行，最高安全密钥率达27 kbps；在接入100 km实验室光纤链路后，可按需切换不同用户进行通信，且重构链路过程无需重新校准参考系。该项工作揭示了直调光源平台与参考系无关QKD协议在低维护、可重构量子网络中的巨大应用潜力。

图4 异构QKD网络在多用户链路动态切换且无参考系校准时密钥率变化

　　研究工作受到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和江苏省重点研发计划的资助，南邮为以上两项成果的第一完成单位和通讯单位。

（撰稿：王琴　初审：徐雷、戴修斌　编辑：王存宏　审核：张丰）