中国科学技术大学研究人员在国际上首次实现突破弱相干态成码率极限的单光子源量子密钥分发，为探索单光子源在量子通信和量子网络中的广泛应用奠定基础。相关研究成果以“Experimental Single-Photon Quantum Key Distribution Surpassing the Fundamental Weak Coherent-State Rate Limit”为题于2025年5月29日发表在国际学术期刊《物理评论快报》杂志上，被选为编辑推荐论文（Editors’ Suggestion），并被美国物理学会（APS）下属网站Physics所报道。

量子密钥分发为什么能够保证通信安全？未来“量子互联网”又将如何通过更安全的加密改变我们的生活？

量子密钥分发：保障通信安全性

现代社会，人与人之间的通信日益频繁，如何保障通信安全性已逐渐成为一个至关重要的问题。为了保证信息的安全，人们在将信息传递给接收者之前，利用密钥对其进行加密，而后接收者基于密钥对加密信息进行解密。若要实现两个相距遥远的通信节点间的安全密钥共享，就需要一种安全的密钥传输方式，而量子密钥分发（QKD）作为目前最安全的密钥传输方式，可做到信息论安全的密钥传输。

QKD基于量子力学原理，利用单光子态不可克隆特性及海森堡测不准原理，提供密钥生成与分发的原理上无条件安全性。其通过量子态编码传递密钥，任何窃听行为均会扰动量子态而被检测。相较于传统依赖计算复杂度的加密算法，QKD可从物理层面抵御量子计算攻击，显著增强金融、政务等高密级信息系统的长期安全性，是未来通信安全的核心技术。

目前，通过诱骗态协议与双场协议，基于弱相干光源的量子密钥分发技术持续优化：光纤链路中传输距离已突破千公里，自由空间星地信道通过卫星实验跨越千公里级，密钥生成速率也从每秒千字节提升至百兆字节量级。

但是，衰减激光器这类弱相干光源产生的光脉冲中，光子数服从泊松分布，导致每个脉冲中含单光子成分的概率较低，且存在1/e的理论上限，还容易受环境噪声干扰，易被窃听者获取密钥信息，限制了基于弱相干光源的量子密钥分发所能达到的密钥产生速率。

理论上，量子点单光子源在单光子成分含量上可以突破弱相干光源的理论极限，但因效率不足、多光子噪声等问题，此前从未有物理体系的单光子源在实验上突破弱相干光源的码率极限。

图1 上图为自由空间外场实验场景，下图为单光子源量子密钥分发实验示意图

更高效的“量子加密”：“量子互联网”触手可及

针对这个问题，研究团队首先针对传统弱相干光源QKD存在的多光子成分和成码率瓶颈，通过两大大核心技术突破实现了单光子源QKD的里程碑进展：

1. 高效量子点单光子源：基于砷化铟量子点，其单光子系统效率达 71%（单光子成分超传统光源极限 94%），法布里 - 珀罗腔的滤波技术将多光子成分进一步压低至 0.007，系统综合性能为全球顶尖水平。

2.  低损耗高保真量子态调制技术：在 76.13 MHz 高重复频率下实现量子密钥分发光源综合效率0.292，误码率仅 2.54%，适配复杂环境部署。

在实验室内测试中，每秒成码率达5.65×10^-2比特，较传统光源提升 247%。在外场自由空间信道实验测试中，在14.6dB损耗下实现了1.08×10^-3每脉冲的安全成码率，超出弱相干光源QKD码率极限达到79%，并且在 5 至15 dB 动态损耗范围内，单光子源QKD性能全面超越传统技术。这充分展示了单光子源在实际量子密钥分发系统中的成码率优势，为探索单光子源在量子通信和量子网络中的广泛应用奠定基础。

图2 单光子源量子密钥分发实验结果图

未来，该项突破不仅能通过高频集成化，开发千兆赫兹级量子点芯片，匹配 6G 通信速率，推动量子安全与经典网络深度融合；更能通过全球组网验证，构建多节点自由空间量子通信试验网，为星地量子链路与量子星座组网提供技术储备。相信在不远的未来，“量子互联网”将不再遥远。

信息来源：“量子科话”微信公众号