2021年全球量子科技前沿汇编

1月

01【解决QKD探测效率差异的安全证明】

加拿大滑铁卢大学、日本NTT公司和美国Los Almos国家实验室的联合研究团队提出了针对探测器效率差异的严格安全证明。该证明方法将探测效率差异纳入考量且不依赖于通常需要的假设，不限制攻击者的策略，也不需要对入射信号进行光子数截断，因此具有极好的实用性，在探测效率一致的情况下还能提高成码率。该成果1月25日发表在新期刊《Physical Review Research》。

02【解决MDI-QKD非理想光源的安全证明】

西班牙维戈大学的研究人员给出了MDI-QKD协议存在光源信息泄露时的一种安全证明，放宽了对光源端的要求。研究针对发送端的强度调制器和相位调制器存在信息泄露的情况提出了一种通用范式，证明了只要两个源端充分隔离并且信号发送在合理时间框架内，MDI-QKD仍然是安全可行的。该成果1月18日发表在期刊《Scientific Reports》。

03【离散变量QKD使用连续变量QKD的探测方案】

美国橡树岭国家实验室的研究人员提出了一种创新的QKD探测理念，用零差平衡探测方案来进行离散变量QKD的单光子测量。该方案与传统离散变量QKD的安全模型相比有两个优点，一是真空涨落的探测噪声不能被攻击者操控，二是光子数分布的刻画能力增加了攻击限制，对于攻击者获得的信息能够给出更紧致的边界从而提高成码率。该成果1月20日发表在期刊《Physical Review A》。

04【非对称信道的双场QKD方案】

加拿大多伦多大学的研究人员在损耗不对称的光学信道上完成了TF-QKD的原理性实验验证。对于不对称的光信道损耗提出了两种补偿策略，一是应用非对称的信号强度，二是增加损耗补偿，实验结果表明第一种策略能得到更优的成码率。该成果1月26日发表在《npj Quantum Information》。

05【QKD技术增强5G网络切片效率】

英国BT Labs和瑞士IDQ公司等的联合团队研究了QKD技术对5G网络切片模型的增强。研究人员演示了不同加密需求的两种网络切片架构，分别对应城域网企业应用和内容传输网。通过定制的SDN分发器进行网络切片的计算和供给，并选择适当的链路加密方法，包括D-H公钥密码、QKD、抗量子算法。演示结果表明网络切片的建立和拆除用时约1~2分钟，比当前方案的效率提升了至少一个量级。

2月

01【首次实现确定性多量子比特纠缠】

美国芝加哥大学和阿贡实验室研究人员利用超导同轴电缆提高量子态传输保真度，演示了由一米长超导电缆连接两个超导量子节点构建的确定性纠缠分发量子网络。量子态在节点间传输的保真度为0.911，三量子比特GHZ态确定性传输的保真度为0.656。利用该系统也确定性地制备了分布式的双节点、六量子比特GHZ态，保真度为0.722，显著高于多体纠缠的判定阈值1/2。研究结果表明这种架构可以用来实现多个超导量子处理器的相干连接，为构建大规模量子计算机提供了一种模块化的方法。该成果2月24日发表在《Nature》。

02【首次实现集成超导探测器的QKD接收终端芯片】

德国蒙斯特大学的研究人员研制了首个集成单光子探测器的量子密钥分发接收端芯片，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）以及多种时间编码所需各种光路都集成在一个氮化硅芯片上。波导集成的SNSPD相比传统的SNSPD具有更低死时间和暗计数率。在QKD实验演示中，时钟频率2.6GHz、信道衰减2.5dB条件下系统的密钥生成率达2.5Mbit/s，且探测器尚未饱和。该接收端芯片使用了宽带3D聚合物耦合器，可在电信波段的较宽波长范围运行，可支持高度并行的波分复用应用。该成果2月23日发表在《npj Quantum Information》。

03【密集波分经典信道上的子载波QKD演示】

俄罗斯伊特莫大学和Quant-telecom的研究人员研究了子载波（subcarrier-wave）QKD在单模光纤密集波分复用经典信道上的工作性能，给出了在自发拉曼散射噪声条件下估算量子比特误码率和安全密钥生成率的数学模型。研究考虑了连续波和脉冲两种机制的子载波QKD方案，并基于经典波分复用的接收端灵敏度分析系统性能。研究结果表明脉冲机制下系统能够实现更高的安全密钥生成率和更远传输距离。该成果1月29日发表在《Journal of the Optical Society of America B》。

04【可实时验证的量子随机数发生器】

日本NTT公司研究人员演示了一种低延迟、可实时验证量子随机数发生器。研究中对于弱相干光脉冲测量和非等臂M-Z干涉仪方案的随机数发生器，提出了一种高效的安全性分析方法，考虑了制备和测量设备都不完美的条件。该设备每0.12s可生成8192个随机比特且可验证抗所有量子攻击，失败率约束为2^-64，具备极高的安全性。该成果2月24日发表在《Nature Communications》。

05【双场QKD的紧致有限码长分析】

英国利兹大学、西班牙维戈大学和日本NTT公司的联合研究团队将TF-QKD协议的安全性分析拓展到了有限码长条件下，分析表明在10^10量级的信号量下TF-QKD性能可超过点对点QKD方案，并且该分析方法在多种实际情况中较其他方案可给出更高的成码率。该方法中开发的一些技术也可应用于其他QKD协议的有限码长分析。该成果2月5日发表在《npj Quantum Information》。

3月

【基于量子点的可控纠缠源和量子密钥分发】

意大利罗马萨皮恩扎大学的研究人员使用量子点纠缠源完成了基于纠缠的量子密钥分发现场实验。该实验的纠缠分发信道分别为连接校园内两个建筑的250m单模光纤和自由空间信道，相干驱动的量子点能够产生近乎理想的纠缠对和很低的多光子发生率，从而具有极高的抗量子黑客攻击能力。该成果3月19日发表在《Science Advances》。

【量子密钥分发的短码方案安全分析和应用】

新加坡国立大学、中国科学技术大学和牛津大学的联合研究团队提出了一种改进的有限码长安全性分析方法，相对于典型情况下成码所需的码长（10^4量级）可降低14%-17%，在信号传输损耗极大的情况下（例如卫星）可以有效节约码长累积的时间。该成果3月9日发表在《Physical Review Letters》。

【基于可编程集成光路的全栈量子计算单元】

加拿大Xanadu公司和美国NIST的联合研究团队实现了基于可编程集成光路的全栈光量子计算单元，通过整合可编程集成光路芯片和自动控制软件系统实现了多光子量子操控。该系统支持最高8个模式的挤压态、一个通用可编程的4模干涉仪和全部输出端口的光子数分辨，通过强挤压和高速采样率使其多光子探测事例超过了之前的可编程光量子演示系统。同时，研究人员也该系统上完成了高斯玻色采样、分子振动光谱和图相似性三项量子算法演示。该成果3月3日发表在《Nature》。

4月

【简化、高速的MDI-QKD系统】

东芝公司欧洲研究团队设计了一种结构简单紧凑的MDI-QKD系统，安全成码率比现有最高水平高一个量级：54dB信道上达到8bps、30dB信道上达2kbps。该系统时钟频率为GHz，通过控制注入锁定和增益开关提高直接调制激光器的抗涨落性质，使自由运行的半导体激光器在相位调制time-bin编码时无需波长或相位反馈，有效简化了系统复杂度。该成果4月8日发表在《npj Quantum Information》。

【高保真度量子点纠缠光源实验量子密钥分发】

奥地利约翰尼斯开普勒林茨大学、维也纳大学的研究团队，利用高保真度量子点纠缠光源实验演示了量子密钥分发。该实验在350m长光纤上进行，采用BBM92协议，通过重复频率80MHz的脉冲激光器泵浦GaAs量子点产生了保真度高达0.987纠缠光子对。该实验系统13小时统计量子误码率低至1.9%，未采用时间/频率滤波技术情况下原始密钥生成率为135bps。该成果4月14日发表在《Science Advances》。

5月

【基于随机基矢改善DI-QKD信道参数要求】

新加坡国立大学、瑞士联邦理工学院、汉诺威大学的研究人员合作，采用随机化基矢方案优化了设备无关量子密钥分发（DI-QKD）方案并完成了实验验证。通过对CHSH贝尔不等式的原始协议进行随机化基矢的简单改变，可显著改善信道参数要求，缩小实验和理论之间的距离。验证实验首次实现了在高噪声范围生成密钥，并计算了协议抗一般攻击的安全性，结果表明使用目前前沿的实验参数，生成密钥需要的原始数据为10E8-10E10量级。该成果5月17日发表在《Nature Communications》。

【基于本地本振光方案实现高速、低复杂度CV-QKD】

英国剑桥大学的研究团队设计提出并验证了本地本振光连续变量量子密钥分发（LLO-CVQKD）系统。该方案基于高斯调制相干态，在接收端独立设置同样中心波长的窄线宽激光器从而实现完全受保护的本地本振。该系统利用高宽带设备实现了500MHz重复频率；利用参考光与量子信号光交互发送降低系统复杂度；利用自定义软件在不更改任何设备情况下调节所有系统参数；通过对调制变量和参考脉冲强度参数进行联合优化提高密钥率；通过实时噪声校准技术维持稳定低水平的额外噪声。实验结果预测在15km光纤上密钥率可达到26.9Mb/s。该成果5月4日发表在《Scientific Reports》。

【基于CMOS实现超低温硅基量子控制电路】

荷兰代尔夫特大学、英特尔公司的研究团队基于互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺实现了可在超低温环境下工作的硅基控制电路集成芯片，与硅基量子比特一体整合，有效解决了量子计算机在扩展到大量量子比特时控制线路对制冷环境的瓶颈制约。该控制电路芯片可工作在3K温度，通过微波信号控制20mK温度下的量子比特，实现控制保真度达99.99%。该方案在一个两比特量子处理器上进行了DJ算法验证。该成果5月13日发表在《Nature》。

6月

【固态量子存储间实现通信波段预报式纠缠分发】

西班牙ICFO与ICREA两所研究院联手，首次实现基于通信波段传输的固态量子存储间预报式纠缠分发。其中量子存储基于稀土晶体（掺镨钇硅酸）实现，利用光频梳方案存储62模的光子，有效保真的存储时间大于25微秒，可以支持5公里光纤上的量子中继。其纠缠光源使用了I型腔增强自发参量下转换方案，将426nm泵浦光转化为1436nm闲频光和606nm信号光的纠缠，通过腔长（1.2米）的纳米级偏差控制确保了光子的全同性。实验演示50m光纤上的存储间纠缠分发，预报式产生纠缠对的速率达到1.4kHz。研究成果6月3日发表在《Nature》。

【光纤无中继量子密钥分发距离突破600公里新纪录】

东芝欧洲公司研究人员提出了一种新方案用于补偿远距离光纤上的相位涨落，并在实验室内演示了最远距离达605公里（104.8dB）双场量子密钥分发，成码效率为每脉冲1.77×10E-9，距离和效率均超越以往的远距离实验。新方案采用双波段参考光和量子信号光共纤传输来补偿相位涨落，其中一个波段与量子信号隔开（避免瑞利散射干扰量子信号）用于快速主动补偿，另一个波段参考光与量子信号同波段、同等强度，慢速补偿剩余偏差。该方案改变了以往方案中需要同波段强参考光的要求，从而摆脱了原方案时分复用影响效率和双向散射限制信噪比的不足，并且无需超稳腔和复杂的光学调制。研究成果6月7日发表于《Nature Photonics》。

【双原子腔量子存储演示量子中继和密钥分发】

德国马普所研究人员首次演示了量子中继节点的多项核心功能并验证了无条件安全密钥分发能力。该量子中继以束缚在光腔二维光晶格上的两个铷原子为量子存储，通过腔QED技术对原子进行全局及独立操控，实现了两路纠缠建立效率22.13%（原子激发态制备66%、原子-光子纠缠产生69%、传输耦合效率85%、探测效率68%）、原子纠缠交换（贝尔态测量）效率5.07%，且原子长相干保持时间可达20ms。利用该中继器也进行了基于纠缠的无条件安全密钥分发原理性验证，系统的误码率总计约8%，满足低于11%的成码阈值要求。另外，已有一些改进措施预期可将相干保持时间提升至40ms、原子纠缠贝尔态测量效率提升至10%、协议保真度提升2%，预期可以在30km级（~7dB）线路上实现10E-5的密钥效率。研究成果6月11日发表在《Physical Review Letters》。

【硅光芯片支持全天时卫星量子密钥分发】

意大利帕多瓦大学研究团队为全天时卫星量子通信系统设计了一款轻量化、低功耗的QKD编码芯片。该硅光芯片集成了多个MZ干涉仪、热光调制器、载流子耗尽调制器等器件，支持对1550nm波段进行诱骗态和偏振调制，从而适用于白天自由空间QKD。芯片核心尺寸为5mm×5mm，封装后体积为1.2cm×1.5cm×1.2cm。该芯片也结合空间QKD系统进行了外场测试：在距离145m、接收半角视场5μrad、接收端光纤耦合效率约8.5%等条件下，整个白天的QKD试验中平均错误率0.5%、成码率30kbps。研究成果6月8日发表在《npj Quantum Information》。

7月

【“强光限制器”保护量子通信系统免于攻击】

新加坡国立大学的研究人员设计实现了一种可以限制强光通过、但对弱光几乎没有影响的新型光模块，可用于保护量子通信系统免于强光相关的攻击，如木马、致盲攻击等。该模块的核心机制是利用了负热-光系数的材料（如丙烯酸）作为“散光”棱镜，其屈光率对光束导致的升温敏感，强光将会显著扩散从而大部分能量被后置的光圈拦截。通过调节“散光”棱镜的长度和光圈的大小能够设置该模块限制的光强，100mm棱镜长度和25um光圈孔径是限制通过的光强约-30dBm，该模块对强光限制的反应速度约300ms。该成果7月7日发表于《PRX Quantum》。

【通信波段波分复用量子网络的单光子变频】

澳大利亚Griffith大学的研究人员实验演示了一种便于网络集成的通信波段单光子变频方案，能够利用波分通道对单光子进行全波段变频，可用于实现光纤信号与窄带量子存储的适配，或者作为一种变频通信的转发手段。该方案利用了PPLN波导的二阶非线性作用，通过两阶段和频、差频光子生成实现可控波长的单光子变频且保持了原有的相干性，实验中实现了55%的转化效率，去除噪声后的HOM干涉对比度为84.5%。成果7月7日发表在《Physical Review Letters》。

8月

【高性能自适应光学技术支持星-地白天量子通信】

美国Kirtland空军基地研究实验室、波音公司、Leidos公司（国家安全技术公司）的研究人员开发了一种克服大气湍流影响的高速自适应光学（Adaptive-Optics，AO）系统，并在充分模拟白天星-地下行链路的条件中演示了在量子通信中相对于既有方法的优越性能。该AO系统主要由集成的快速转向镜、变形镜组成，闭环反馈速率达到130Hz（之前实验的速率约2Hz），有效降低了对日光背景窄带滤波的需求，提高了光信号收集的光纤耦合效率。实验中模拟了11dB的大气散射，可等效700km的星-地倾角下行链路，实验结果显示775nm波段也能够实现健壮的白天量子通信，并且比1550波段的信噪比高1.8倍、数据传输效率高3.6倍。该成果7月29日以编辑推荐形式发表于《Physical Review Applied》。

【有纠缠≠有密钥，传统DI-QKD协议并不完全安全】

西班牙ICFO（光学研究中心）、波兰华沙大学的研究人员发现Bell非局域性并不是能够产生安全密钥的充分条件，这意味着传统的DI-QKD协议在大噪声场景可能并不安全。研究人员分析了使用Werner纠缠态进行传统DI-QKD、攻击者采用典型的“凸组合”攻击的情况，基于三方内禀信息给出安全密钥率计算公式，计算发现在Werner纠缠态对比度为0.7445时密钥率已降为0，而此时依然是存在纠缠的（对比度0.6964时能够违背Bell不等式）。该研究结果表明有些非局域关联在传统DI-QKD中不能产生安全密钥，同时也建议可以采用单方公布测量基矢的方式来避免安全问题（传统DI-QKD采用双方公布测量基矢方案）。成果7月29日以编辑推荐形式发表于《Physical Review Letters》。

【基于二极管量子隧穿效应产生随机数】

泰国国家科技发展局的研究人员提出了一种经济的量子随机数产生方案。该方案使用量子隧穿二极管，通过电流扫描并测量电流涨落获得随机源，可以在经济的电子学器件中实现。该方案的最小熵评估，原始数据约0.623、最终输出约0.999。成果8月17日发表于《Applied Physics Letters》。

9月

【基于等离子石墨波导产生连续变量纠缠和隐形传态】

阿联酋阿布扎比大学、美国德克萨斯A&M大学等的研究人员设计了一种新型的连续变量纠缠源。该纠缠源基于混合光学-微波等离子的石墨波导，通过该波导控制与同一微波模耦合的两种光场并产生双模压缩态。该纠缠源可用于远距离的连续变量隐形传态，并且对微波自由度的热噪声具有很好的健壮性。成果9月27日发表于《Physical Review Applied》。

【量子-经典共纤传输距离突破95km】

瑞士日内瓦大学的研究人员利用2.5GHz的离散变量量子密钥分发（DV-QKD）设备开展了一系列实验量子-经典光通信共纤传输试验。在量子使用O波段而经典光通信使用C波段的波长分配方案中，量子密钥分发系统可以在95.5km良好光纤&经典光功率8.9dBm、51km老化光纤&经典光功率16.7dBm等典型应用条件下产生密钥。成果9月20日发表于《Applied Physics Letters》。

【多模存储方案降低量子计算破译RSA2048所需量子位】

法国巴黎-萨克雷大学的研究人员分析了采用运算、存储联合架构的量子计算机性能，并设想了一种可显著提高整数分解效率的架构。该架构采用时分&空分复用存储器来存储运算过程的量子态，相对于传统的平面网格及近邻连接架构，所需量子位的数量可以下降数个量级。以破译RSA2048为例进行估计，基于传统架构估计需要2000万量子位（谷歌），而新架构仅需要1.3万（使用的具体参数：处理器量子位13436个、门错误率10E-3、单步时长1ms，存储器空间模28兆、时间模45、存储时长2小时，使用3D gauge color编码，阈值0.75%的破译耗时177天）。成果9月28日以编辑推荐形式发表于《Physical Review Letters》。

10月

【光芯片集成的量子密钥分发终端】

东芝（欧洲）的研究人员通过光芯片混合集成的方法实现了量子密钥分发（QKD）光学功能模块全部芯片化，并研制了插拔式（编码、探测）光模块的小型QKD终端。发射端编码芯片采用硅基材料加工无源光路、采用InP材料加工高速有源器件，创新使用相位种子激光注锁和电吸收调制器组合的方案实现光脉冲（前后分量的）相位编码及诱骗态调制，无需使用不等臂干涉仪从而大幅减小光路，整个光路芯片的面积仅1×6mm²。接收端解码采用不等臂干涉仪方案，使用硅基加工无源光路芯片，有源的铌酸锂相位调制器与控制电路芯片集成。收发两端的芯片均采用CFP2结构封装，模块尺寸为41.7×107×12.4mm³，冗余性可支持方便的升级。量子随机数发生器芯片采用增益开关型激光器和多模干涉光路方案，随机数生成速度8Gbps，封装后尺寸为12.7×30×8mm³。QKD终端整体采用1U短机框平台，运行T12 QKD协议，工作频率2GHz，每秒生成79组AES256密钥。研究成果10月21日发表于《Nature Photonics》。

【硅光芯片量子存储演示量子隐形传态】

荷兰代尔夫特大学、巴西坎皮纳斯大学和我国浙江大学的研究人员研制了一种硅光芯片量子存储并实验演示了全功能量子中继。该量子存储器使用微纳硅光晶体制造的“双轨”结构，通过调控硅光晶体的自旋声子态（一种集体激发态）和通信波段光子自旋态的光动力学耦合，实现了对光子的存储读写，存储时间大于1微秒。研究人员也通过在芯片上大量制备（160个）和筛选实现了两个量子存储器的共振波长、散射率、动力学过程热激发等特性的高度一致，从而保证了纠缠光子一致性以及隐形传态Bell态测量的有效性。该量子存储的效率和存储时间相对于金刚石色心有明显提升，可以有效保障量子隐形传态和量子中继的效率。研究成果10月7日发表于《Nature Photonics》。

【应力调控机制实现光子-色心量子存储】

加拿大卡尔加里大学的研究人员演示了一种调控通信波段光子与金刚石NV色心量子存储读写的新方法。该方法并利用了NV色心的自旋态（能级结构）对应力敏感的机制，调控光动力学演化从而实现通信波长光子在色心自旋态上的读写，自旋态与光动力学态的耦合系数约168kHz。该调控方法不涉及光学跃迁过程并且对光谱色散不敏感，可适用于多种固态量子比特材料。研究成果10月14日发表于《Nature Physics》。

【易重构的纠缠分发局域网】

美国橡树岭国家实验室、斯坦福大学、普渡大学的研究人员使用波长选择开关搭建了量子纠缠分发局域网并演示远程了量子态制备。新型的波长选择开关（WSS）相对于传统密集波分复用器件具有可编程控制波长切换的特点，可以更灵活地实现网络路由，目前使用的WSS可支持通信波段（C波段）192通道（通道带宽25GHz）复用和切换。研究人员使用II型参量下转换纠缠源，结合WSS制备了8个能量匹配的纠缠通道，并演示了校园内3节点的纠缠分发和基于纠缠的远程量子态制备。研究成果10月6日发表于《PRX Quantum》。

11月

【通信光子-多模固态量子存储纠缠】

西班牙ICFO研究所、ICREA研究所和英国赫瑞-瓦特大学的研究人员首次实验实现了通信波段光子与可控读出多模固态量子存储的纠缠。实验通过非简并参量下转换生成能量-时间纠缠光子对（通信波段闲频光和可见光波段信号光），信号光子存储于Pr3+:Y2SiO5晶体的原子频率梳方案量子存储中，激发态存储方式的保真度达92%，自旋波存储方式的保真度达77%，通过可控读出方案可将存储时间拓展至47.7微秒。该成果11月19日以编辑推荐形式发表于《Physical Review Letters》。

【铌酸锂光芯片与超导单光子探测器集成】

德国蒙斯特大学的研究人员实验演示了铌酸锂光芯片与超导单光子探测器集成。基于电光调制的铌酸锂（LNOI）光路可在极低温下有效工作，也可以通过低损耗波导与超导纳米线探测器（SNSPD）集成。实验中，一个电调制的铌酸锂MZ干涉光路与两个波导集成SNSPD组合，在1.3K温度下演示了超过12小时的偏置无漂移操控，调制速度达到1GHz。该成果11月25日发表于《Nature Communication》。

【毫米尺寸的可见光相位调制器】

美国哥伦比亚大学、塔夫茨大学的研究人员研制了一种高效、微型的光学相位调制器，其体积、耗能/高压驱动指标相比于已有调制器降低了至少一个量级。该调制器基于氮化硅材料和绝热微型环振荡器结构实现相位的热-光调制，微型振荡器提供了1.6π的最小涨落相位调制同时造成0.61dB插损，绝热微型环结构有效降低了工艺偏差的影响。该成果11月22日发表于《Nature Photonics》。

12月

【基于原子阵列的高效量子互联节点方案】

美国伊利诺斯大学的研究人员提出了一种连接量子计算处理器原子阵列和通信波段光子的平台方案。该方案中，光腔中的大规模原子阵列替代单个原子，有效消除双向通信的负面影响，并且将两节点之间的纠缠效率提高了两个数量级。数值模拟表明，该平台方案可以支持1500km级的中继纠缠分发，在城域范围内可以分发超过25对Bell纠缠对。成果12月3日发表于《Physical Review Research》。

【氮化硅室温单光子源】

美国普渡大学、橡树岭国家实验室等的研究人员实现了一种氮化硅薄膜结构的单光子源，表征单光子属性的二阶关联因子g⁽²⁾(0)在室温下小于0.2，发光效率大于每秒10⁵个。该光源可以芯片化，用于构造可扩展的、直接输出单光子源。成果12月10日发表于《Science Advances》。

【微波量子隐形传态】

德国WMI研究所、慕尼黑工业大学、东京大学等的研究人员首次实验演示了的微波量子隐形传态。该实验使用双模挤压相干态和模拟前馈方案，实现了相干微波传态距离0.42米，保真度0.689。微波量子隐形传态可用于量子计算机超导线路的交互，是全量子通信路线的重要组成。成果12月22日发表于《Science Advances》。

数据来源：国盾量子 数据整理：斯百德产业研究院