近期新捕京官网量子信息团队在量子密钥分发网络研究方面取得重要进展，研究论文“基于qubit同步的低成本的量子接入网”（A cost-efficient quantum access network with qubit-based synchronization）被《SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy》杂志接收发表。这项研究提出一个新型的量子接入网架构，有效降低了QKD网络成本和设备复杂度，有潜力作为未来QKD网络的备选方案。由于该工作广泛的兴趣，杂志社专门邀请中国人民大学尹华磊教授和南京大学陈增兵教授撰写评论文章“低成本的量子接入网推动量子密钥分发网络的实际部署”（Cost-efficient quantum access network boosts practical deployment of quantum key distribution network）。该工作获得广西相对论天体物理重点实验室自主研究课题、国家自然科学基金重点项目及北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室开放课题等项目资助。

论文链接：http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-023-2302-8

评论文章链接：https://doi.org/10.1007/s11433-023-2310-2

作者：黄春凤（博士生）、陈烨（硕士生）、罗婷婷（硕士生）、何文杰（硕士生）、刘馨（博士生）、张振荣（教授）、韦克金^*（通信作者）

量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）是基于量子物理提出的一种具有信息理论上无条件安全的密钥交换技术，也是量子信息领域率先走向实用化的技术之一。随着理论和实验技术的发展，QKD的实验验证在高速率、远距离和星地一体广域网络等方面纷纷取得记录性突破。当前，QKD技术的实用化引起各界的广泛关注。为解决大规模的复杂的应用需求，QKD网络是不可或缺的环节。至今许多QKD网络实验演示相继被报道。量子接入网（Quantum Access Network, QAN）是QKD网络中的代表性架构，能够为多个用户访问量子基础设施提供最后一公里连接。然而，目前QAN的实现仍然需要额外的硬件来完成辅助任务，例如时间同步，增加了部署成本和设备复杂度，阻碍了QKD网络的广泛部署。

这项研究利用基于qubit的时间同步方案，设计了一个具有低成本的量子接入网架构（如图1.（b）所示）。该网络方案相较于典型的QAN（如图1.（a）所示），不需要额外的同步硬件，从而降低了网络部署成本和硬件复杂度。研究团队搭建了一个两用户量子接入网实验系统开展测试（如图2所示），实验结果表明，在50 km的商用光纤上，两个用户的平均安全密钥率分别为53.84和71.90 kbps（如图3所示），验证了该网络方案的可行性。此外，作者通过仿真评估了网络在损耗和实验室系统串扰条件下的性能，结果表明，该网络能够容纳64个用户，每个用户可获得1070 bps的安全密钥率（如图4所示），显示了网络实际部署的潜力。

这项研究面向大规模部署QKD的挑战，引入了一个有潜力的量子网络方案，探索了QKD技术广泛部署的可能性，并为未来大型用户群接入量子基础设施提供参考。

图1：（a）典型量子接入网架构；（b）基于qubit同步的量子接入网架构。

图2：基于qubit同步的上行量子接入网实验装置示意图。

图3：基于qubit同步的两用户量子接入网实验结果。每个用户的量子比特错误率和安全密钥率。量子比特错误率（实心菱形，用户1；实心三角形，用户2）；安全密钥率（空心正方形，用户1；空心圆形，用户2）。

图4：不同活跃用户数下， 64用户容量的量子接入网中每个用户的安全密钥率。