上海交通大学の曽貴華教授チームは星地連続変数量子鍵配布の可能性を実験的に検証した

研究背景

長距離量子鍵配布は、世界的な量子通信ネットワークを構築するための重要な基礎である。光ファイバリンクと比べて、衛星は量子信号を主に低損失自由空間で伝播させ、大陸間、超長距離量子通信に実行可能な経路を提供することができる。星地離散変数量子鍵配布はすでに千キロ級の鍵配布と大陸間暗号通信を実現し、空天地一体化量子ネットワークを構築する潜在力を示している。連続変数量子鍵配布はチャネル容量が高く、コストが低く、古典的なコヒーレント光通信システムと互換性があるなどの特徴があり、コヒーレント探査を利用して背景光ノイズを効果的に抑制することもでき、天然に全日時間運行能力を備えている。実験検証は、高損失の下で元の鍵を復元し、変調データとの相関性を確立する必要があるだけでなく、過ノイズが十分に低く、正の安全鍵率を得ることができることを証明する必要がある。

研究経路及び成果

高損失星地リンクにおけるパイロット信号の信号対雑音比不足とパイロット漏洩雑音の増大との矛盾に対して、研究チームはローカルローカルローカルローカルガウス変調コヒーレント状態CVQKDシステムを構築し、時間−偏光多重伝送量子信号とパイロット信号を採用した。2段の高消光比振幅変調器は80 dB時間領域分離を提供し、偏光ビームスプリッタは30 dB偏光分離を提供し、合計110 dB多重分離を実現し、パイロット強度が量子信号67 dBより高いと同時に光子リークが十分に低いことを保証し、41 dB高損失の下で位相ノイズと光子リークノイズの抑制を実現した。

受信側は独立ローカル振動を用いてコヒーレント検出を完了し、量子化精度12 bitsのオシロスコープ量子信号とパイロット信号を収集し、高損失条件下での原始鍵回復と過ノイズ評価に実験データを提供する。研究チームは高効率ダウンサンプリング、Quinn高精度周波バイアス推定、パイロット補助位相回復技術を用いてデジタル後処理を完成した。41 dB損失の下で、回復信号とAlice端ガウス変調データは唯一の顕著な相互相関ピークを示し（図2）、オリジナル鍵の回復に成功し、AliceとBobの間に仮想エンタングルメント関連を確立したことを示している。41 dB高損失下の過ノイズ推定統計変動が顕著な問題に対して、チームは等価試験方法を用いて、平均過ノイズを0.0167 SNUと測定した。実際の星地チャネルのADC量子化ノイズとフェージングノイズを計上した後、1200 kmリンク下での過ノイズは0.0198 SNUと予測される（図3）。鍵率分析により、システムは41 dB損失の下でも正の安全鍵率を得ることができ（図3）、星地CVQKDの実行可能性を初歩的に検証した。

発展の見通し

この研究は41 dB高損失星地チャネル下での連続変数量子鍵配布の実行可能性を初歩的に検証し、星地CVQKDが理論分析と数値シミュレーションに留まる限界を突破し、高損失、強摂動環境下での量子信号回復と過ノイズ抑制に実験根拠を提供し、実際の星地連続変数量子鍵配布システムの設計と配置に新しい技術経路を提供し、空天地一体化量子通信ネットワークの構築に重要な参考を提供した。

上海交通大学の曽貴華教授チームは、星地連続変数量子鍵配布の可能性を実験的に検証した。【引用期間：2026年8月12日】