Team von Prof. Zhenghua von der Shanghai-Universität überprüft experimentell die Machbarkeit der Verteilung von Quantenschlüsseln mit kontinuierlichen Variablen

Forschungshintergrund

Langstreckenverteilung von Quantenschlüsseln ist eine wichtige Grundlage für den Aufbau eines globalen Quantenkommunikationsnetzes. Im Vergleich zu faseroptischen Verbindungen können Satelliten Quantensignale hauptsächlich im freien Raum mit geringem Verlust verbreiten und einen praktischen Weg für die interkontinentale, ultralange Quantenkommunikation bieten. Die Verteilung von Quantenschlüsseln mit stellaren diskreten Variablen und Erden hat die Verteilung von Schlüsseln auf Kilometer-Ebene und die verschlüsselte interkontinentale Kommunikation erreicht, was das Potenzial für den Aufbau eines integrierten Quantennetzwerks im Raum und Erde zeigt. Die kontinuierlich variable Quantenschlüsselverteilung hat eine hohe Kanalkapazität, niedrige Kosten, kompatibel mit klassischen kohärenten optischen Kommunikationssystemen und anderen Merkmalen, kann auch die kohärente Erkennung nutzen, um Hintergrundlichtgeräusche effektiv zu unterdrücken, und hat natürlich die ganztägige Betriebsfähigkeit. Allerdings ist übermäßiges Geräusch unter hohen Verlustbedingungen schwer zu unterdrücken, theoretisch tolerierbare Verluste sind begrenzt, so dass StarEarth CVQKD zuvor hauptsächlich in der Phase der theoretischen Analyse blieb. Die experimentelle Validierung erfordert sowohl die Wiederherstellung des ursprünglichen Schlüssels bei hohen Verlusten und die Erstellung einer Relevanz mit den Modulationsdaten als auch den Nachweis, dass der Überrausch niedrig genug ist, um eine positive Sicherheitsschlüsselrate zu erzielen.

Forschungswege und Ergebnisse

Angesichts des Widerspruchs zwischen dem unzureichenden Signal-Rausch-Verhältnis der Leitfrequenz und dem erhöhten Rausch der Leitfrequenzleckage in der hohen Verluststellarlinke baute das Forschungsteam ein lokales CVQKD-System für die kohärente Benzengaussische Modulation auf, das Quantensignale und Leitfrequenzsignale mit Zeit-Polarisation-Multiplikation überträgt. Zweistufige hohe Lichtdämpfungsverhältnis Amplitude Modulator bietet 80 dB Zeitbereich Isolierung, Polarisation Strahler bietet 30 dB Polarisation Isolierung, um insgesamt 110 dB Multiple Isolierung zu erreichen, während die Leitfrequenz Intensität höher als Quantensignal 67 dB gleichzeitig gewährleisten, dass die Photonen Leckage niedrig genug ist, um die Unterdrückung von Phasengeräusch und Photonen Leckage Geräusch unter 41 dB hohem Verlust zu erreichen.

Das Forscherteam baute eine 38 bis 43 dB-äquivalente Verlustverbindung aus freien Raumkanälen, 50 km optischen Fasern und variablen Lichtdämpfern auf, wie in Abbildung 1 gezeigt. Der Empfänger nutzt die unabhängige Schwingung, um die Kohärenzdetektion abzuschließen und mit einer Quantifizierungsgenauigkeit von 12 BitsOszilloskopErfassung von Quantensignalen und leitfähigen Frequenzsignalen zur Bereitstellung experimenteller Daten für die Wiederherstellung von Originalschlüsseln und die Bewertung von Übergeräuschen unter hohen Verlustbedingungen. Das Forscherteam nutzte eine effiziente Abtastung, eine hochpräzise Frequenzbewegungsschätzung von Quinn und eine Technologie zur leitenden Phasenwiederherstellung, um die digitale Nachbehandlung abzuschließen. Bei einem Verlust von 41 dB zeigte das Wiederherstellungssignal den einzigen signifikanten Spitzenkorrelationsspitze mit Alice-Endgauss-Modulationsdaten (Abbildung 2), was darauf hindeutet, dass der ursprüngliche Schlüssel erfolgreich wiederhergestellt wurde und eine virtuelle Verwirrung zwischen Alice und Bob aufgebaut wurde. Für ein Problem mit statistisch signifikanten Schätzungen von Übergeräuschen bei hohen Verlusten von 41 dB setzte das Team eine äquivalente Testmethode ein, bei der ein durchschnittliches Übergeräusch von 0,0167 SNU gemessen wurde. Nach Berücksichtigung des ADC-quantifizierten Geräuschs und des Abfallegeräuschs der tatsächlichen Sternenkanäle wurde ein Übergeräusch von 0,0198 SNU auf einer 1200 km langen Verbindung prognostiziert (Abbildung 3). Die Schlüsselratenanalyse ergab, dass das System noch eine positive Sicherheitsschlüsselrate bei 41 dB Verlust erzielt (Abbildung 3), was die Machbarkeit von Stardust CVQKD vorläufig bestätigt.

Entwicklungsperspektiven

Die Studie hat vorläufig die Machbarkeit der Verteilung von kontinuierlichen variablen Quantenschlüsseln unter 41 dB hohen Verlusten des Sternenkanals überprüft, die Grenzen der theoretischen Analyse und der numerischen Simulation des SternenCVQKD durchbrochen, die experimentelle Grundlage für die Wiederherstellung von Quantensignalen und die Unterdrückung von Überrauschen unter hohen Verlusten und starken Störungen zur Verfügung gestellt, einen neuen technischen Weg für die Konstruktion und Bereitstellung praktischer Sternensysteme für die Verteilung von kontinuierlichen variablen Quantenschlüsseln und eine wichtige Referenz für den Aufbau eines integrierten Quantenkommunikationsnetzes in der Luft- und Raumfahrt zur Verfügung gestellt.

Referenzen:Team von Prof. Zeng Guihua von der Universität Shanghai überprüft experimentell die Machbarkeit der Verteilung von Quantenschlüsseln mit kontinuierlichen Variablen von Sternen und Erden_Umfassende Nachrichten_Shanghai Jiaotong University[Veröffentlichung: 12. August 2026]