基于芯片的QKD实现更高的传输速度

研究人员开发了一种基于集成光子学的量子密钥分发 (QKD) 系统，可以以前所未有的速度传输安全密钥。原理验证实验代表了向实际应用这种高度安全的通信方法迈出的重要一步。

QKD 是一种为远方之间的安全通信提供密钥的行之有效的方法。通过使用光的量子特性来生成用于加密和解密数据的安全随机密钥，其安全性基于物理定律，而不是像今天的通信协议那样的计算复杂性。

“QKD 技术的一个关键目标是能够将其简单地集成到现实世界的通信网络中，”来自 瑞士日内瓦大学的研究小组成员 Rebecka Sax 说。“实现这一目标的一个重要且必要的步骤是使用集成光子学，它允许使用与制造硅计算机芯片相同的半导体技术来制造光学系统。”

在 Optica Publishing Group 期刊 Photonics Research中，由日内瓦大学的 Hugo Zbinden 领导的研究人员描述了他们新的 QKD 系统，其中除激光器和探测器外，所有组件都集成到芯片上。这具有许多优点，例如紧凑、低成本和易于大规模生产。

“尽管 QKD 可以为银行、健康和国防等敏感应用提供安全保障，但它还不是一项广泛应用的技术，”Sax 说。“这项工作证明了技术成熟度，并有助于解决通过光学集成电路实施它的技术问题，这将允许集成到网络和其他应用程序中。”

构建更快的基于芯片的系统

在之前的工作中，研究人员开发了一种三态时间仓 QKD 协议，该协议使用基于标准光纤的组件执行，以实现创纪录的高速 QKD 传输。

“我们在这项新工作中的目标是使用集成光子学实施相同的协议，”萨克斯说。“集成光子系统的紧凑性、稳健性和易于操作性——在网络中实施或排除故障时需要验证的组件更少——提高了 QKD 作为安全通信技术的地位。”

QKD 系统使用发射器发送编码光子，并使用接收器检测它们。在这项新工作中，日内瓦大学的研究人员与 德国柏林的 硅光子公司Sicoya GmbH和日内瓦的量子网络安全公司ID Quantique合作 ，开发了一种将光子集成电路与外部二极管激光器结合在一起的硅光子发射器。

QKD 接收器由二氧化硅制成，由光子集成电路和两个外部单光子探测器组成。 位于意大利米兰的CNR 光子学和纳米技术研究所的 Roberto Osellame 小组 使用飞秒激光微机械加工来制造接收器。

“对于发射器，使用带有光子和电子集成电路的外部激光器可以以高达 2.5 GHz 的创纪录速度准确地产生和编码光子，”Sax 说。“对于接收器，低损耗和偏振无关的光子集成电路和一组外部检测器允许对传输的光子进行被动和简单的检测。用标准单模光纤连接这两个组件可以高速生成密钥。”

低损耗、高速传输

在对集成发射器和接收器进行彻底表征后，研究人员使用它使用不同的模拟光纤距离和 150 公里长的单模光纤和单光子雪崩光电二极管进行密钥交换，非常适合实际实施. 他们还使用单光子超导纳米线探测器进行了实验，使量子误码率低至 0.8%。该接收器不仅具有极化独立性(使用集成光子学很难实现)，而且还具有极低的损耗，约为 3 dB。

Sax 说：“就秘密密钥率生产和量子误码率而言，这些新实验产生的结果与之前使用基于光纤的组件进行的实验相似。” “然而，QKD 系统比以前的实验装置更简单、更实用，从而显示了将该协议与集成电路一起使用的可行性。”

研究人员现在正致力于将系统部件放置在一个简单的机架外壳中，以允许在网络系统中实施 QKD。