使用超低噪声SNSPD的QKD超过400公里

日内瓦大学
研究领域：QKD
国家：瑞士

实验需要

自第一次实验演示以来，扩展QKD的范围一直是备受追捧的研究目标，并产生了商业影响。限制因素是累积的光损耗，阻止大部分光子到达接收器。与大多数电信系统一样，优化的关键指标是信噪比（SNR）。在基于单光子探测的系统中，降低探测器噪声是提高系统信噪比的关键。实际上，光信号随距离呈指数衰减，而探测器的暗计数保持不变。结果，超过一定长度的光纤，信噪比变得太小，QKD的密钥传输速率几乎降至零。

日内瓦大学应用物理小组（GAP）量子技术小组多年来一直参与QKD研究活动，目的是扩展QKD距离范围能力。他们之前已经开发了基于InGaAs/InP SPAD的自由运行超低噪声单光子探测器，用于在300多公里的光纤[1]上演示QKD，这种探测器设计主要由ID Quantique采用，并用于ID230红外单光子探测器。超导纳米线单光子探测器（SNSPD）被认为可以进一步提高量子密钥分发距离性能。与基于半导体的探测器相比，SNSPD技术具有更高的效率和更低的暗计数。

解决方案

GAP Quantum Technologies团队与IDQ合作，一直在开发SNSPD，提供专门定制的探测性能，以满足此类苛刻实验的需要。探测器噪声的降低是这里的一个关键因素，低暗计数率SNSPD被设计和生产出来。

在实验[2]中，Alice以1550 nm的波长发送的脉冲通过数百千米的光纤（最长可达400千米）传播，并被Bob的SNSPD检测到。为了减少探测器的暗计数，专门添加了一个冷却至40 K的额外光纤滤波器，以滤除连接到探测器的光纤的黑体发射。这将暗计数率降低到令人印象深刻的0.1 Hz，比典型的SNSPD暗计数率低约2个数量级，后者受到黑体辐射的虚假光子的限制。通过这些技术改进，当光子出现时，暗计数的概率可以降低到10^-11以下。

图1：左图-421km QKD实验系统装置，来自于[2]。右图-ID281系统

成果

由于探测器的暗计数较低，并且使用了超低损耗光纤，再加上对容错协议的修改，日内瓦的研究团队可以在不需要任何中继器的情况下，以很高的速率在远距离建立安全密钥。对于长度从251到404公里的光纤，实验方案实现的关键速率比之前在相同距离上的演示高出约100倍。值得注意的是，在421公里的记录距离内，关键速率保持为正。密钥速率的增加是由同一作者开发的QKD装置实现的，该装置具有QKD实验中证明的最高重复率（2.5 GHz）之一。研究人员还通过连续运行超过24小时证明了该系统的稳定性和可靠性。

参考文献：

[1] B. Korzh et al., “Provably secure and practical quantum key distribution over 307 km of optical fibre”, Nature
Photonics. 2015, vol. 9, 163-168 (2015)[2] A. Boaron et al., “Secure quantum key distribution over 421 km of optical fiber”, Phys. Rev. Lett. 121, 190502
(2018)