近日，上海交通大学自动化与感知学院、光子传输与通信全国重点实验室曾贵华教授团队首次完成了星地连续变量量子密钥分发（CVQKD）可行性实验验证。在等效1200 km星地链路的41 dB损耗下，团队成功恢复原始密钥，并证明系统过噪声可支持正安全密钥率。研究成果以Experimental verification for the feasibility of satellite-to-ground continuous-variable quantum key distribution为题发表在《Advanced Photonics》 2026第8卷。

研究背景

长距离量子密钥分发是构建全球量子通信网络的重要基础。与光纤链路相比，卫星可使量子信号主要在低损耗自由空间中传播，为洲际、超长距离量子通信提供可行路径。星地离散变量量子密钥分发已实现千公里级密钥分发及洲际加密通信，展现出构建空天地一体化量子网络的潜力。连续变量量子密钥分发具有信道容量高、成本较低、兼容经典相干光通信系统等特点，还可利用相干探测有效抑制背景光噪声，天然具备全天时运行能力。然而，高损耗条件下过噪声难以抑制、理论可容忍损耗有限，使星地CVQKD此前主要停留在理论分析阶段。实验验证既需在高损耗下恢复原始密钥并建立与调制数据的相关性，也需证明过噪声足够低，能够获得正安全密钥率。

研究路径及成果

针对高损耗星地链路中导频信号信噪比不足与导频泄漏噪声增大的矛盾，研究团队构建了本地本振高斯调制相干态CVQKD系统，采用时间—偏振复用传输量子信号与导频信号。两级高消光比幅度调制器提供80 dB时域隔离，偏振分束器提供30 dB偏振隔离，实现总计110 dB复用隔离，在导频强度高于量子信号67 dB的同时保证光子泄露足够低，实现了41 dB高损耗下对相位噪声和光子泄露噪声的抑制。

图1. 星地CVQKD可行性验证实验光路

图2. 接收数据后处理结果：(a)导频相位；(b)恢复信号与调制数据的互相关；(c)量子信号二维统计直方图

研究团队搭建了由自由空间信道、50 km光纤和可变光衰减器组成的38～43 dB等效损耗链路，实验光路如图1所示。接收端利用独立本振完成相干探测，并通过量化精度为12 bits的示波器采集量子信号与导频信号，为高损耗条件下的原始密钥恢复和过噪声评估提供实验数据。研究团队采用高效降采样、Quinn高精度频偏估计和导频辅助相位恢复技术完成数字后处理。在41 dB损耗下，恢复信号与Alice端高斯调制数据呈现唯一显著的互相关峰（图2），表明原始密钥成功恢复，并在Alice与Bob之间建立了虚拟纠缠关联。针对41 dB高损耗下过噪声估计统计波动显著的问题，团队采用等效测试方法，测得平均过噪声为0.0167 SNU。计入实际星地信道的ADC量化噪声和衰落噪声后，预测1200 km链路下过噪声为0.0198 SNU（图3）。密钥率分析表明，系统在41 dB损耗下仍可获得正安全密钥率（图3），初步验证了星地CVQKD的可行性。

图3. 实验结果与星地信道分析：(a)信噪比及信道损耗；(b)过噪声估计；(c)星地信道损耗概率分布；(d)过噪声构成；(e)安全密钥率曲线

发展前景

该研究初步验证了连续变量量子密钥分发在41 dB高损耗星地信道下的可行性，突破了星地CVQKD停留于理论分析和数值仿真的局限，为高损耗、强扰动环境下量子信号恢复与过噪声抑制提供了实验依据，为实际星地连续变量量子密钥分发系统的设计与部署提供了一种新的技术路径，并为构建空天地一体化量子通信网络提供了重要参考。

论文信息

论文通信作者为上海交通大学自动化与感知学院黄鹏副研究员和曾贵华教授，第一作者为在读博士生郭明轩。相关研究工作得到国家科技重大专项（科技创新2030重大项目）、上海市市级科技重大专项、国家自然科学基金的资助。

曾贵华教授、黄鹏副研究员长期致力于高性能光纤与自由空间连续变量量子密钥分发（CVQKD）研究。团队以第一作者 / 通讯作者身份在《Science Advances》《Physical Review Letters》《Optica》等国际知名期刊发表多篇高水平学术论文。围绕协议设计、被动态制备、系统集成与复杂信道传输等方向，团队取得一系列创新性成果：实现全球最远距离全天时自由空间CVQKD外场安全成码、全球首个热态被动态自由空间CVQKD外场安全成码；完成接入网范围内Gbps量级被动态制备CVQKD实验、兼具高速传输与大衰减容忍能力的频分复用自由空间CVQKD实验，以及雾、湍流等复杂信道条件下的安全成码实验；同时提出测量基编码离散调制CVQKD协议、反向编码高斯调制CVQKD等新型高性能CVQKD协议，形成了较为完整的自由空间CVQKD关键技术体系。

论文链接：

https://www.researching.cn/articles/OJb946ef6ed19fcd2b?alichlgref