数据安全是当今社会的一项关键挑战。传统的加密技术，虽然在过去几十年里为我们提供了坚实的保障，但近年来随着计算能力的提升，尤其是量子计算的崛起，传统加密方法的安全性已逐渐受到威胁。为了解决这一问题，量子密钥分发(QKD)应运而生，成为量子信息科学中最引人注目的研究领域之一。

量子密钥分发技术利用量子力学的不可克隆原理，实现了绝对安全的密钥传输。它的核心优势在于，当信息被窃听时，量子系统的状态会发生变化，导致窃听者的行为被立即察觉，从而保证了通信的安全性。

为了让这一前沿技术走进课堂，帮助学习者深入理解量子通信的核心概念，九章量子推出了面向教学的量子密钥分发系统。该系统能够模拟量子密钥分发的工作原理，让学生直观地观察量子密钥的传输与测量，体验量子通信的独特魅力。

图1：量子密钥分发系统

一、工作原理

九章量子的量子密钥分发系统基于世界上第一个量子密钥分发协议——BB84协议。该设备包含发射端Alice和接收端Bob，能够进行偏振态的制备、发送和检测。系统配套软件提供数据后处理(对基、纠错、保密放大)、密钥分发以及加解密实验等功能，展示完整的量子密钥分发流程。

如图所示，实验设备分为发射机(Alice)和接收机(Bob)两部分，分别承担发射和接收量子比特的功能，并通过交换机连接两台一体机(电脑)。

图2：实验连接示意图

工作原理如下：

1. 偏振态制备和检测：Alice端启动四台激光器，完成|H〉、|V〉、|＋〉、|－〉四个偏振态的制备，Bob端四台单光子探测器完成探测。
2. 对基：Bob将其测量到的量子态对应的位置在经典信道中(图2所示的网线)发给Alice，Alice随后丢弃Bob没有测量到的部分。然后，Alice和Bob在经典信道中进行对基操作，抛弃他们手中编码基和测量基不同时所对应的比特。
3. 纠错：Alice和Bob经过对基之后的数据存在一定的bit(指的是经典比特)误码，采用纠错算法进行纠错，丢弃错误的bit，并统计输出误码率。
4. 保密放大：在量子密钥分发过程中会泄露一定的信息，通过保密放大算法对纠错后的数据进行保密放大以提升最终数据的保密性。
5. 密钥分发：通过一段时间连续的量子密钥分发，可以观测实验过程中误码率和密钥生成率等数据变化，最终生成一定量安全量子密钥。
6. 数据加解密：Alice选取一段(256bit)量子密钥对需要传输的信息(如一幅图片)进行加密，并通过网络将加密后的图片发送给Bob，Bob再选取一段和Alice对应的量子密钥还原图片。

图3：实验结果展示

二、产品亮点

亮点一：真实还原量子密钥分发的核心过程

我们的系统完整模拟了QKD的全过程，包括光子态生成、量子信道传输、密钥生成和加密传输等步骤。通过完整实验，学生可以直观体验量子密钥分发的每个关键环节，真正将理论与实践相结合。

亮点二：数据可靠性高，演示效果直观

量子实验中数据的精确性至关重要，首先需要确保实验结果的可靠性，同时提供可视化的实验数据展示，让量子实验不再抽象。我们的系统采用高性能光子源和单光子探测器，以及稳定的量子态传输技术，确保实验数据的精准和稳定。同时通过系统配套软件展示QKD如何从光子态生成最终密钥，让学生理解更轻松。

亮点三：简单易用，适合教学操作

考虑到教学需求，硬件和软件需要具备操作简单、界面友好的特点。我们的系统通过模块化设计和直观的用户界面，使学生和教师能够快速上手，轻松完成量子密钥分发实验，而不被复杂的操作细节分散注意力。

三、产品参数

四、应用领域

• 量子信息学专业的实验教学：教学系统能够为学生提供一个直观、易操作的实验平台。
• 科技创新实验课程与学科竞赛：除了专业设置外，许多高校开展了量子信息技术的创新实验课程及学科竞赛，量子密钥分发系统可以帮助完成实验设计和展示，提升他们的实践能力。
• 科普教育和基础教育：量子密钥分发教学系统不仅适用于高等院校，也适合一些基础教育和科普教育的应用。通过其直观的操作界面和简单易懂的实验设计，学生能够更轻松地了解量子通信的基本概念，为未来的量子技术研究打下基础。