近期新捕京官网量子信息团队在基于量子比特分布式帧同步的量子密钥分发研究方面取得重要进展，研究论文 “Qubit-Based Distributed Frame Synchronization for Quantum Key Distribution” 被IEEE Journal of Lightwave Technology杂志接收发表。该工作获得国家自然科学基金面上项目、广西自然科学基金项目、广西相对论天体物理重点实验室开放课题等项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1109/JLT.2024.3464750

作者：陈烨（研究生）、黄春凤（博士生）、林广燊（研究生）、黄姝艺（本科生）、张振荣（教授）、韦克金（副教授、通信作者）。

量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）是最接近实用化的量子信息技术之一，其利用量子的特性保护数据传输，为合法通信方提供具有理论安全性的信息交互方式。合法通信方之间的时间同步是QKD系统正常运行不可或缺的部分。典型的QKD系统常使用全球导航卫星系统、电缆或经典光来同步系统，由此需要额外的同步硬件。基于量子比特的时间同步利用传输的量子态来实现系统的同步，不需要附加同步硬件，降低了QKD系统的硬件需求和成本。尽管如此，典型的基于量子比特的时间同步方法应用于实际系统中面临着难以支持系统长时间连续运转和无法容忍高损耗的问题，阻碍了其在不同场景中的广泛应用。

本研究提出了一种基于量子比特的分布式帧同步方法（如图1所示），其中发送方将同步字符串周期性地插入随机编码序列中构成同步帧，编码并发送量子态。接收方利用接收到的量子信号的到达时间和测量结果等信息，通过执行同步算法实现系统的时间同步，同时提取安全密钥率。该方法中每帧都包含同步信息，由此可支持系统长时间连续运行，此外通过累积多帧探测事件，不需要增加同步字符串的长度来补偿信道损耗。

研究团队在偏振编码QKD系统中验证了基于量子比特的分布式帧同步方法（如图2所示）。实验结果表明，相较典型的量子比特同步方法Qubit4Sync，该方法可以支持50 MHz系统连续运行超过80s，同时保持低量子误码率，由此具有更高的稳定性（如图3所示）。此外，该方法可以支持重复频率为625MHz的系统连续正常工作超过一小时，在29.2dB的传输损耗下，使用长度为L=10⁴的同步字符串即可同步系统（如图4所示）。

这项研究对研制高稳定、低成本的QKD系统具有重要意义，并有望在基于无人机的QKD和量子网络等更广泛的场景中获得应用，进一步推动QKD的实用化进程。

图1 基于量子比特分布式帧同步的QKD示意图。

图2 实验装置示意图。AWG：任意波形发生器；LD：商用激光二极管；θ-M：相位调制器；CPM：定制偏振模块；ATT：光衰减器；PC：偏振控制器；SNSPD：超导纳米线单光子探测器；PAM：偏振分析模块；TDC：时间数字转换器；CMP：用于同步算法的计算机。

图3 基于量子比特分布式帧同步方法和Qubit4Sync方法的稳定性测试。QBER：量子比特错误率。Time error：时间误差。

图4 基于量子比特分布式帧同步方法在625 MHz QKD系统中的稳定性测试。同步字符串长度为L=10⁴，传输总损耗为28.4 dB。