面向光纤到户的一对多量子密钥分发中若干关键技术研究

This project will focus on key techniques in One-to-Many quantum key distribution over "fiber to the home" network, which is the "last mile" question of quantum key distribution. Although it is an important topic, the research in the field is still insufficient. We will develop a free-running single photon detector with low dark count rate and high repetition frequency at telecom band wavelength in order to meet the requirement for One-to-Many quantum key distribution. Based on this detector, we will develop time division multiplexing detection and bit synchronization techniques. Meanwhile, the project will implement research on the noise due to classical optical signal in quantum key distribution when the classical and quantum communication share the same fiber. The project will provide the essential technology preparation for the future quantum key distribution over one to 64 GPON/EPON network.

本项目主要研究面向光纤到户的一对多量子密钥分发中的若干关键技术。该领域属于量子密码应用的"最后一公里"问题，虽然很重要，但目前研究得还不充分，存在许多难题需要系统地解决。项目拟针对一对多QKD,发展自由运行单光子探测技术，降低暗计数，提高最大计数率，以满足一对多QKD大衰减、高重复频率的要求。基于这种探测器，我们还将研究接收方探测器时分复用技术，以及采用光子到达时间进行比特同步的新技术。同时，还研究一对多QKD场合下的基矢比对协议，作为今后更完整、更加智能的QKD流程协议中的一部分。最后，还研究共用光纤时，经典信号对量子信号的影响情况，并提出有效的解决方案。本项目的最终目标是为在标准的1：64分光的GPON/EPON网络上部署一对多的QKD做关键的技术准备。

量子通信近年来得到了长足的发展，尤其是广域网和城域网上，重要难题都基本解决。但在量子通信的“最后一公里”上，还存在许多不同于干线上的难题。本项目主要研究面向光纤到户的一对多量子密钥分发中的若干关键技术。首先，我们针对“最后一公里”对成本极其敏感的特点，设计了基于低成本硅材料的纳米结构单光子雪崩二极管，引入纳米陷光结构解决高时间分辨时探测效率低下的问题，并且开发了一套采用标准仪器的单光子探测器测试平台，解决了单光子探测器的研制时的复杂测试难题以及应用时的批量测试效率问题。其次，我们开发了具有快速跳频和任意扫频能力的DDS信号源和多光子符合计数系统，为采用光子到达时间进行同步的研究打下了基础。最后，鉴于近年来测量设备无关量子密钥分发的快速发展，我们也研制了可用于测量设备无关量子信的弱相干光子源，和同事合作，取得了测量设备无关量子通信的前沿结果，也为测量设备无关量子通信技术用于解决“最后一公里”问题打下了基础。以上结果发表在Physical Review Letters、Physical Review X 、IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics、 Review of Scientific Instruments等国际权威杂志上。