近日，上海交通大学光子传输与通信全国重点实验室黄鹏副研究员、曾贵华教授团队首次实现了基于热光源的被动态制备连续变量量子密钥分发实验验证。研究成果以All-day free-space quantum key distribution with thermal source towards quantum secure communications for unmanned vehicles为题发表在NPJ quantum information。

研究背景

量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）提供了信息理论上安全的保密通信解决方案，其中离散变量（Discrete Variable, DV）量子密钥分发可实现远距离通信，连续变量（Continuous-Variable, CV）量子密钥分发可提供高密钥速率和抗噪声能力。无人载具（UV）对高安全性、高成本效益通信系统的迫切需求。上述两种传统QKD方案依赖量子相干源和主动调制，而被动态制备（Passive-State-Prepration）量子密钥分发协议属于连续变量量子密钥分发(CVQKD）协议的一种，其利用热源代替主动调制，在高抗背景噪声能力、高密钥率和低功耗方面显示出巨大潜力，为UV间全天候密码通信提供了一种极具前景的解决方案。然而，由于缺乏针对高损耗自由空间信道的有效过噪声抑制技术，自由空间PSP-CVQKD的现场实验一直未能实现然而，虽然实验室结果令人鼓舞，但由于自由空间信道中的噪声过大，实际应用仍具有挑战性。

研究成果

本研究首次成功实现了基于热光源的被动式连续变量量子密钥分发系统并在城市自由空间环境中的外场实验。实验光路架设在两栋相距140米的实验楼之间，链路衰减最高达到15.59dB之间，具体光路设置如图所示。

图1 PSP-CVQKD外场实验光路图

本研究中通过创新性噪声抑制技术（包括高效零差探测、机器学习相位补偿和高精度APT系统），在创外场自由空间CVQKD安全成码衰减记录的-12.24至-15.59 dB高损耗环境下实现了稳定的安全密钥生成，昼夜平均密钥率分别达0.85 kbps和1.52 kbps，过噪声控制在0.038-0.042范围内。

图2 实验结果(a)日间过噪声(b)夜间过噪声(c)日间密钥率(d)夜间密钥率

发展前景

该研究突破了传统主动调制CVQKD对相干光源和高速调制器的依赖，显著降低了系统复杂度和成本，并展现出对背景光噪声的强鲁棒性。该成果为无人载具在复杂城市环境中的量子安全通信提供了极具成本效益、高集成度和强环境适应性的解决方案，为推动量子密钥分发技术在动态、高损耗自由空间信道中的实际应用奠定了重要基础。

论文信息

论文第一作者为实验室在读博士生殷翰文和黄鹏副研究员，通信作者为实验室黄鹏副研究员和曾贵华教授。相关研究工作得到科技创新2030国家重大专项、上海市重大专项、国家自然科学基金以及广东省重点研发计划的资助。曾贵华教授、黄鹏副研究员等人近年来潜心高性能光纤及自由空间量子保密通信方面研究，已取得系列创新成果，代表性成果包括：

· 提出了新型高抗噪高斯调制及离散调制基编码连续变量量子密钥分发协议[Phy. Rev. A, 97: 042311 (2018); Research, 8: 0691 (2025)]

· 首个接入网范围内Gbps量级被动态制备连续变量量子密钥分发[Photonics Research, 12: 1485 (2024)]

· 首个热态被动态制备连续变量子密钥分发完整成码实验[New J. Phys., 23: 113028, 2021]

· 系列自由空间CVQKD关键技术[PRA 99: 032326 (2019); PRApplied, 12: 024041 (2019); Opt. Express, 28: 10743 (2020); Optics Letters, 45: 5921 (2020); Opt. Express, 29: 25048 (2021); Optics Express, 31: 7383 (2023)；Phys. Rev. Applied, 22: 054082 (2024)]

· 首个雾气及湍流信道下CVQKD安全成码实验验证[Optics Letters, 46: 5858 (2021), Optics Letters, 48: 1184. (2023)]

期刊简介

npj全称为Nature Partner Journals，由Springer Nature与全球科研机构合作创办，专注细分领域（如npj Computational Materials聚焦计算材料学）。其内容经过严格同行评审，研究水准与Nature主刊及其他子刊保持同等标准，被SCI、Scopus等数据库收录。npj系列期刊属于Nature子刊的范畴，是Nature Portfolio品牌下的合作型开放获取期刊。《npj Quantum Information》是自然出版集团旗下专注于量子信息领域的国际权威学术期刊，创刊于2015年，最新影响因子为8.3。该期刊聚焦量子计算、量子通信、量子传感等前沿方向，覆盖理论与实验研究。作为开放获取期刊，其内容包含原创性研究论文、综述及评论，强调学术成果的创新性与工程应用的结合。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41534-025-01085-y