2021年我国量子科技前沿汇编

1月

01【基于超纠缠态实现高效率纠缠提纯】

中国科学技术大学的研究人员首次基于一对超纠缠态实现了远程纠缠提纯，相比于以往使用两对纠缠进行纠缠提纯的方案，提纯的效率提高了约6.6×10^3倍。该技术也可用于提高基于纠缠的QKD效率，在基于11公里多芯光纤的噪声信道实验中，纠缠度从0.771提高到0.887，成码率从0提升到0.332。该成果1月8日发表在期刊《Physical Review Letters》。

02【PM-QKD的实用化改进方案】

南京邮电大学的研究人员提出了一种诱骗态PM-QKD协议的改进方案，使用有限强度的诱骗态和有错误的光源来符合实际情况，并给出了成码率公式。模拟显示该方案的性能接近于无限强度的诱骗态PM-QKD协议，在数据量大于10^15和235km的条件下成码率可以突破成码率-距离限制，源端错误δ ≤ 0.03时也可以突破成码率-距离限制。该成果1月13日发表在期刊《Optics Express》。

2月

01【实验演示量子中继的可扩展性】

清华大学的研究团队演示了基于长时间的量子存储增强量子中继的扩展性。实验中使用了两个存储时间为数十毫秒的原子系综量子存储器，通过执行按需纠缠交换实现了两个量子中继器的有效连接。增强的量子存储加快了纠缠连接率，提升了纠缠扩展性。该成果2月25日发表在《Nature Photonics》。

02【实验演示长距离空-水量子密钥分发】

上海交通大学和中国科学技术大学的联合研究团队实验演示了容忍高传输损耗的空-水诱骗态量子密钥分发，且量子比特误码率始终控制在小于2.5%。实验结果显示系统容忍的信道损耗比之前实验提高1个量级，即便在Jerlov III型的沿海海水中，量子密钥分发的传输距离也可达30m，相当于345m长的Jerlov I型干净海水，向实用化的空-海安全通信迈出关键一步。该成果2月24日发表在《Physical Review Applied》。

03【首次实验演示器件无关的量子随机性拓展】

中国科学技术大学的研究人员首次实验演示了器件无关的量子随机数拓展，将4.39×10^8比特的熵源拓展为5.47×10^8的量子安全随机数，总体公正性错误率为4.6×10^10。随机性拓展是经典信息中无法实现的任务，该实验加深了人们对随机性的认识，为随机数量子验证的实用化奠定了基础。该成果2月4日发表在《Physical Review Letters》。

04【非对称信道的PM-QKD研究】

中国人民解放军信息工程大学和中国科学技术大学的联合研究团队开展了非对称信道对PM-QKD性能影响的研究，考虑了有限码长、不稳定光源等实际条件，研究结果显示优化强度是补偿信道非对称的最好方法。且数值模拟显示有限码效应和统计波动对非对称PM-QKD的成码率有很大影响。该研究成果2月5日发表在《Journal of the Optical Society of America B》。

05【基金委主办英文刊Fundamental Research第1期发布“量子信息与量子计算”专题文章】

由国家自然科学基金委员会主办的英文期刊Fundamental Research第一期上线，本期文章专题为“量子信息与量子计算”，专题主编为郝跃和龙桂鲁，院士作者包括龚旗煌、郝跃、孙昌璞、潘建伟和郭光灿。（来源：ScienceDirect网站）

3月

【200公里单光子3D成像】

中国科学技术大学的研究人员实现了一种紧凑的同轴单光子雷达系统并完成最远达205.1公里的3D成像实验。在该雷达系统中，研究团队开发了高效的光学收集、探测装置和全新的远程回波探测噪声抑制技术，并且通过光子效率算法实现了在每像素仅0.44个信号光子的情况下能够精确3D成像。该成果3月9日发表在《Optica》。

【基于量子通信设施的高效量子签名方案】

南京大学的研究人员设计了一种高效的量子签名方案。相比于之前的量子签名方案的不足（需要通过安全信道进行对称化操作，签名效率和探测效率呈二次方关系），新方案中提出了一种“后匹配”处理方法，无需对称化操作，签名效率与探测效率呈线性关系。模拟显示新方案在100km光纤上的签名效率比之前方案提升3个量级。该方案可以和量子通信设施兼容，提高量子安全应用能力。该成果3月29日发表在《Optics Express》。

【连续变量量子密钥分发芯片系统的实际安全风险与对策】

上海交通大学的研究人员对连续变量量子密钥分发芯片系统的实际安全性进行了一系列模型和分析方法研究：基于等离子离散效应对载流子涨落进行建模并揭示了涨落对系统的影响，模拟结果表明该涨落可能导致CVQKD系统的安全漏洞，也可能导致性能急剧下降；提出了两种原理性防御策略从而彻底解决调制引入的现实安全风险。该成果3月9日发表在《Physical Review A》。

4月

【具有抗毁冗余能力的QKD装置】

中国科大、西班牙维戈大学、科大国盾等单位的联合研究团队实现了一个基于芯片的1.25GHz MDI-QKD装置，在该装置中，无论是用户端的设备还是中间测量设备，当有限数量的光学部件、处理单元被损坏或被窃听者控制时，都可以利用冗余的部件，结合可验证的秘密共享和隐私放大恢复安全性。该装置的实现得益于高速时钟频率、微型化的发送器和高性价比的结构，24dB信道的成码率达137bps。该成果3月29日发表在《Physical Review Applied》。

【集体攻击安全的RRDPS协议改良-RRDPTS协议】

北京邮电大学、丹麦科技大学、意大利国家研究委员会光学研究所等单位的联合研究团队提出RRDPTS（round-robin differential phase-time-shifting）QKD协议，并给出在集体攻击下的协议安全性证明。该协议是对RRDPS协议的改进，利用时间和相位自由度增加Hilbert空间维度，但不增加实验复杂度或放松安全假设。

利用数值模拟方法对这两种协议比较，结果表明使用弱相干脉冲的RRDPTS协议不需要监测信号扰动，且对不稳定干涉可见度表现出更高容忍度。通过80km单模光纤进行单个诱骗态RRDPTS的概念性证明实验表明，在高误码率情况下，该协议能够提高密钥率。该成果4月8日发表在《Physical Review Applied》。

【预报式、非破坏的双光子纠缠控制非门】

中国科大、德国奥尔登堡大学和维尔茨堡大学的研究人员首次在两个单光子间实现预报式控制非（CNOT）操作。其实验装置使用耦合在微腔中的InAs/GaAs量子点实现了可控的单光子源，通过四个全同单光子源（两个作为输入光子，两个为辅助光子）和辅助光子探测方案，实现了保真度达87.8%的预报式CNOT门，预报效率提高一个量级，并制备出保真度达83.4%的贝尔态。该成果4月5日发表在《Physical Review Letters》。

5月

【基于多路径M-Z干涉方案的新型强度调制器】

中国科学技术大学研究团队设计了一种适用于诱骗态量子密钥分发系统的强度调制器，并进行了三强度诱骗态调制的实验验证。该强度调制器采用多路径M-Z干涉仪方案，使用较低的半波电压调制出多种固定光强，可有效降低强度涨落和码型效应；基于行波调制和紧凑结构，具备高速和便于集成特性，适合未来系统的发展趋势。该成果5月20日发表在《npj Quantum Information》。

【基于少模光纤提高CV-QKD与经典光共纤传输速度】

中南大学研究团队利用空分复用技术（SDM）实现了连续变量量子密钥分发系统（CV QKD）与经典信号在少模光纤（FMF）中共纤传输，并给出了在弱耦合区域的安全性分析。通过对FMF中模耦合串扰、复用器/解复用器中的模串扰、FMF中拉曼串扰、模间差分群时延等进行分析，发现模耦合串扰和差分群时延是影响系统性能的关键因素，差分群时延是限制系统实现高速率的主要因素。与单模光纤方案相比，FMF方案可提高密钥率和可容忍的经典信道功率，但是最大传输距离减小。该成果4月28日发表在《Optics Express》。

6月

【基于吸收型多模固态量子存储实现容量复用、预报式纠缠分发】

中国科大郭光灿院士团队利用吸收型量子存储演示了预报式、容量复用的存储间纠缠分发，突破了以往发射型（内置型）量子存储难以兼得上述两种性质的局限，是一种很有实用前景的量子中继路线。其中量子存储基于稀土晶体（掺铷钇钒酸）实现，利用光频梳方案可以存储100模的光子，工作于1.5K低温条件下具有约99%的读写保真度，对于写入光子具有良好的兼容性和高带宽。实验利用440nm、1GHz光源通过参量下转换产生纠缠对，利用超导探测器进行双光子贝尔态测量，每间隔0.6ms进行一次存储读写，在3.5m距离下演示了每秒约6000对偏振光子预报式纠缠分发的结果，总体保真度为80.4%。研究成果6月2日发表于《Nature》。

【现场光纤无中继量子密钥分发距离突破500公里】

中国科大、济南量子院等研究人员联手创造了现场光纤无中继量子密钥分发距离的世界纪录。国盾量子为该实验提供系统控制硬件开发支持。

研究人员使用双场（TF-QKD）协议，通过克服远距离现场光纤对双场干涉的一系列影响，分别实现了428公里（激光注入锁定方案）和511公里（时频传递方案）无中继量子密钥分发，线路传输损耗分别为79.1dB和89.1dB，成码效率分别为每脉冲4.8×10E-8和3.37×10E-8。相关措施包括：分别采用激光注锁和时频传递方案进行遥远激光器之间的波长/频率锁定；通过同步序列光和后处理进行时钟锁定和温差导致的光程涨落补偿，实现光子到达时间偏差小于10ps；通过相位参考序列光和后处理进行相位差评估和补偿，通过实时偏振监测进行偏振扰动补偿，通过光强适配、滤波和时域筛选等措施消除相邻光纤经典业务、锁频光背向散射、光放大器噪声等造成的现场光纤特有串扰，极大降低系统噪声。

研究成果分别发表于6月22日《Physical Review Letters》（编辑推荐）和6月21日《Nature Photonics》。

7月

【量子随机数发生器基于光芯片实现18.8Gbps实时速率】

中国科大、浙江大学的研究人员成功研制了基于光芯片的高速随机数发生器。该随机数发生器采用真空态涨落方案，在5×3mm²的芯片上集成了一个多模干涉耦合器、两个可变光衰减器、四个耦合光栅、一个InGaAs homodyne探测器和一个高带宽跨导放大器，通过FPGA实现了2.5GSa/s的采样率和优化的Toeplitz hashing算法，从而实现了封装尺寸约18mm、实时速率达18.8Gbps的量子随机数发生器。成果7月29日发表于《Applied Physics Letters》。

【皮秒级时间分辨探测器支持毫米精度非视域成像实验】

中国科大的研究人员利用高时间分辨率的上转换单光子探测器实现了毫米级空间分辨精度的非视域成像实验。非视域成像的关键是探测障碍背后物体的漫反射光并且精确区分其传播路径，因此核心要求是足够高的探测灵敏度和时间分辨率。实验中实现的上转换单光子探测器时间分辨率达到1.4ps的极高水平，通过时间窗口滤除噪声后的暗计数达到5cps，结合延时扫描等措施实现了对63cm远障碍后目标的3D成像，轴向分辨精度达到180um，横向分辨精度达2mm。成果7月28日发表于《Physical Review Letters》。

【室温原子系综之间的纠缠验证】

上海交大金贤敏团队的研究人员实验验证了室温条件下原子系综之间建立和存储一种“简化”纠缠的能力。该实验系统使用弱光激发原子系综进行自旋态写入，通过检测自发辐射的Stokes光子来预报式地判断激发成功（写入成功）；使用该方法对两个原子系综进行对称的操作，由于同时写入成功的概率极低，因此检测到一个Stokes光子并消除其路径信息即可预报两个原子系综之间的“激发-未激发”形式的简化纠缠。通过反向过程，即检测反Stokes光子读出被激发原子系综的状态，可以测量这种简化纠缠的保存情况。实验中将原子系综激发到大失谐的能级状态，验证了在100ns存储时间下，该状态仍然有效保持着相干性。成果于7月17日发表在《Optica》。

8月

【光纤耦合的高性能纠缠源】

电子科技大学、上海微系统所、中国科大、南方科大的研究人员开发了一种光纤耦合的高性能纠缠源器件，该器件由光纤集成的PPLN波导和DWDM滤波器件构成，基于级联二阶非线性过程提高纠缠对产生效率，滤除自发拉曼散射噪声，得到的光子对符合-偶然符合比超过52600，产生率52.36kHz，探测率3.51kHz。研究人员基于该器件还调制了各种能量-时间、频率位、时间位三种维度的纠缠，能量-时间纠缠的CHSH-Bell不等式破缺最显著，S值达2.71。成果8月5日发表于《npj Quantum Information》。

【原始密钥筛选方案提高CV-QKD抗噪声水平】

中南大学的研究人员提出了一种能够提高CV-QKD抗噪声水平的原始密钥筛选算法。该方法使用了“孤立森林”机器学习框架和Wiener过滤信号处理方案，通过异常检测来评估和有效筛除噪声信息。相对于传统方案中仅使用基矢比对筛选，该算法的噪声水平更低，支持了100km光纤上的CV-QKD。成果7月27日发表于《Physical Review A》。

【多方量子签名方案】

南京大学的研究人员提出了一种“更简单易行”的多方量子签名（QDS）方案。该方案采用六态非正交编码，相对于现有的三方QDS方案能够降低安全分析的复杂性和量子信道数量需求、提高数据使用效率。量子信道数量的需求和终端用户数量呈线性关系，后匹配方法使数据利用效率在5方QDS场景下和探测概率依然保持线性关系。成果8月11日发表于《Optics Express》。

9月

【基于空间自由度纠缠提高量子通信抗噪声能力】

中国科学技术大学、奥地利科学院、维也纳大学等的研究人员演示了空间自由度上的纠缠具有更好的抗噪声能力，可用于改善纠缠型量子通信的实际应用能力。研究人员实验了一个基于8路径纠缠的量子密钥分发，发现在各种水平的环境噪声下，每一对光子对能够提取的密钥都还能大于1比特。成果9月10日发表于《Physical Review Letters》。

【基于相位噪声信任提升CV-QKD性能】

西南通信研究所（ 中国电子科技集团三零所）和北京邮电大学的研究人员发展了LLO CV-QKD方案的相位噪声模型，并采用信任测量噪声的机制来提高系统的抗噪能力。在实验验证中，将来自于探测效率、探测器电子学噪声、干涉对比度实时监测的噪声视为可信，相对于常规的噪声处理模型的性能提升超过40%。成果9月14日发表于《Physical Review A》。

【实现基于颜色擦除强度干涉的高空间分辨成像】

中国科学技术大学与美国麻省理工学院研究团队合作，利用济南量子技术研究院研制的周期极化铌酸锂波导搭建颜色擦除强度干涉仪，成功分辨了1.43km距离外相距4.2mm的两个不同波长光源，空间分辨成像能力超过单望远镜衍射极限40倍。成果8月31日发表于《Physical Review Letters》。

10月

【多单元原子量子存储器实现毫秒级存储并演示量子中继】

清华大学段路明团队的研究人员在冷原子气体量子存储器中实现了多个存储单元的存储时间均突破1毫秒，并演示了有效的量子中继。在一个量子存储装置中实现多单元存储更有利于节点的紧凑化和纠缠连接，该团队前期已经利用二维可编程光路实现了255个存储单元的世界纪录。在本项工作中，研究人员利用“钟态”调控方案抑制磁场导致的不平衡展宽，利用自旋波“冻结”技术抑制运动导致的自旋波失相。在中继实验中，5×5的存储单元实现了中心区4个存储单元的存储时间分别达到1.1~1.6毫秒，有效地实现了预报式纠缠异步产生。在纠缠连接实验中，读出纠缠的置信度为76.6±3.9%。研究成果10月12日以编辑推荐形式发表于《PRX Quantum》。

【测量设备无关的量子存储验证】

中国科大潘建伟团队的研究人员首次成功实验了测量设备无关的纠缠存储验证方案。基于纠缠态存储和Bell态测量进行量子存储器的无漏洞验证具有很高的技术难度（纠缠对分别处于类空间隔、检测效率满足公平采样等），为了提高可行性，研究人员参考了纠缠保持信道的检验方法，在纠缠光源可信前提下设计了量子存储的测量设备无关验证方法。实验中，研究人员使用原子系综的电磁诱导透明机制存储纠缠对中的一个光子，该光子通过另一个原子系综制备并且经过随机调制，存储数十微秒后读出，并与纠缠对另一个光子进行Bell态测量。实验结果显示，随着存储时间从0增长到60微秒，纠缠检验的噪声强度由0.054增长到0.146，反映了存储效率的下降。研究成果10月14日发表于《Physical Review Letters》。

11月

【硅基探测器实现近红外光（1550nm）探测】

中科院微系统所、上海科技大学的研究人员演示了一种可探测近红外光的硅基探测器，为实现近红外探测光学芯片打开了一条新路线。研究人员将原本用于发光的硅基光伏三极管，通过异质集成量子点光吸收能力，实现了对红外光谱的敏感性，光伏灵敏度超过410AW-1，对1550nm波长达到最大探测率4.73×1013Jones。该成果11月18日发表于《Nature Communication》。

【匿名量子通信方案】

北京科技大学、可信计算重点实验室、北京邮电大学、南京航空航天大学的研究人员基于测量设备无关框架提出了一种较高可行性的匿名量子通信方案。匿名量子通信的前提是在多方通信网络中隐秘地建立某两方纠缠，通常使用多体纠缠如GHZ态为资源，但是多体纠缠分发的脆弱性和全局测量的难度严重限制了其可行性。研究人员采用测量设备无关方案的纠缠反演理念，设计由测量节点通过测量多方光子制造出多体纠缠结果，匿名通信的双方通过发送纠缠对中的一个光子（其他多方发送独立光子）从而隐秘地建立连接。该成果11月15日发表于《Physical Review A》。

【波导芯片的轨道角动量模式调控】

上海交通大学、南方科技大学的研究人员在“绕管”结构波导的光芯片中研究测试了轨道角动量（OAM）模式的调控技术和演化特性。通过三维直写激光调控技术，可以实现芯片中的OAM模式的变换、反演和多模相干叠加等完整的操控，未来将有助于促进多维量子信息处理。该成果11月7日发表于《Optics Communication》。

12月

【通信光子-多模固态量子存储纠缠多体纠缠态的自测试方法】

中国科学技术大学、美国马里兰大学的研究人员提出并首次演示了多体纠缠态的自测试方案。量子态自测试是设备无关、只需校验输入-输出的测试方法，相对于tomography、witness类型的方案更可靠有效，但目前仅实现两体纠缠态的测试。新的方案基于稳定子构造了新的Bell不等式，并在GHZ、线性簇态两种四粒子纠缠态上完成了噪声条件下的实验验证。成果12月3日发表于《Physical Review Letters》。

【广播式的CV-QKD下行接入网】

北京邮电大学、北京大学和西南通信所的研究人员提出了一对多广播情况下的CV-QKD渐近安全证明，构造了只需被动分光器件即可一对多连接、可以与ONU接入网体制兼容的QKD下行接入网方案，数值模拟表明该方案可以支持多达64个终端接入。成果12月21日发表于《Physical Review Applied》。

【多光子态双场QKD】

中国科学技术大学、西南通信所和密码国家重点实验室的研究人员改进了发送-不发生性双场QKD方案，证明了干涉多光子态也可用于该方案的密钥分发，从而提高了方案的成码率效率。成果12月27日发表于《Physical Review A》。

数据来源：国盾量子 数据整理：斯百德产业研究院