Photonics Research 2023年6期Press Release：
Rebecka Sax, Alberto Boaron, Gianluca Boso, Simone Atzeni, Andrea Crespi, Fadri Grünenfelder, Davide Rusca, Aws Al-Saadi, Danilo Bronzi, Sebastian Kupijai, Hanjo Rhee, Roberto Osellame, Hugo Zbinden. High-speed integrated QKD system[J]. Photonics Research, 2023, 11(6): 1007
量子秘钥分发（QKD）是基于量子物理学的性质，实现具有最高安全性通信的核心技术，有着为银行、医疗和国防等众多应用场景的信息安全提供保障的巨大潜力。然而，受限于QKD系统的复杂度与成本，目前该技术尚未获得广泛应用。日内瓦大学的Hugo Zbinden领导的研究团队采用集成光子技术，成功实现了紧凑、易操作、可量产的QKD系统。该系统将除了激光器与探测器之外的所有组件都集成到了一块芯片上。通过使用硅光技术的发射机和外部激光器，实现了创纪录的2.5 GHz的秘钥分发速度。在接收端，通过使用单光子超导纳米线探测器，极大降低了误码率和损耗。该系统的实现可以极大促进QKD的广泛应用和大规模部署，进而推动量子通信的发展。
近期，研究人员开发出一种基于集成光子学的量子密钥分发（QKD）系统，该系统能够以前所未有的速度传输安全密钥。原理验证实验表明，这种高度安全的通信方法又朝着实际应用迈出了重要一步。
QKD是为远程方之间的安全通信提供密钥的一种公认方法。它利用光的量子特性生成安全随机密钥，用于加密和解密数据。与现有基于计算复杂性理论的通信协议不同，QKD通过利用量子物理学的性质确保通信的高度安全。
“QKD技术的一个关键目标是能够简单地将其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解释道，“集成光子学是实现这一目标的一个重要且必要的步骤，它让我们能够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Photonics Research期刊2023年第6期中，日内瓦大学的Hugo Zbinden领导的研究团队描述了他们最新的QKD系统。该系统采用了集成光子学技术，除了激光器和探测器之外，所有组件都被集成到一块芯片上。这一创新设计具有紧凑、低成本和易于大规模生产等诸多优点，图1所示。美国光学学会的OPG Newsroom以Chip-based QKD achieves higher transmission speeds为标题发布该论文的Press Release。
“虽然QKD可以为银行、医疗和国防等敏感应用提供安全保障，但它目前还不是一项广泛应用的技术，” Rebecka Sax表示，“这项工作证明了技术的成熟性，并有助于通过光学集成电路解决技术问题，以在网络和其他应用中集成。”
图1 QKD发射芯片。研究人员开发了一种基于硅光子学的量子密钥分发(QKD)系统，能够以前所未有的速度传输安全密钥，QKD发射机（如图）结合了光电集成电路和外部二极管激光器
（基于集成光子学的高速芯片系统：发射器与接收器的创新结合）
在之前的研究中，研究人员开发了一种三态time-bin QKD协议。该协议使用标准的基于光纤的组件，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现相同的协议，” Rebecka Sax提到，“集成光子系统具有紧凑、稳健和易于操作的特点，这使得在排除网络故障时需要验证的组件更少，从而提高了QKD作为安全通信技术的可行性和可靠性。”
QKD系统通过发射器发送编码光子，并通过接收器进行检测。在这项新工作中，日内瓦大学的研究人员与德国柏林的Sicoya GmbH硅光子公司以及日内瓦的ID Quantique量子网络安全公司合作，开发了一种将光子集成电路与外部二极管激光器相结合的硅光子发射器。
在意大利米兰的CNR光子学和纳米技术研究所工作的Roberto Osellame团队利用飞秒激光微加工技术制造了QKD接收器。该接收器采用二氧化硅材料制造，由一个光子集成电路和两个外部单光子探测器组成。
Rebecka Sax进一步阐明：“对于发射器而言，通过使用带有光子和电子集成电路的外部激光器，我们能以高达2.5 GHz的创纪录速度精确地产生和编码光子。对接收器而言，采用低损耗和偏振无关的光子集成电路以及一组外部检测器，可实现传输光子的被动和简单检测。通过使用标准单模光纤将这两个组件连接起来，能高速地生成密钥。”
在对集成的发射器和接收器进行全面表征后，研究人员使用不同的模拟光纤距离和150公里长的单模光纤，以及单光子雪崩光电二极管来执行密钥交换，这在实际应用中非常适合。此外，他们还使用了单光子超导纳米线探测器进行实验，将量子误码率降低至仅0.8%。该接收器不仅具有偏振无关性（这在集成光子学中很难实现），而且损耗极低，约为3 dB，图2所示。
图2 QKD接收芯片。所示的硅基QKD接收器由一个光子集成电路和两个外部单光子探测器组成
Rebecka Sax评价道：“就密钥生成率和量子误码率而言，这些新实验得到的结果与之前使用基于光纤组件的实验结果相似。然而，与以往的实验装置相比，QKD系统更为简单，也更实用，这表明在集成电路中应用这种协议是可行的。”研究人员现在正在努力将系统部件安装在一个简单的机架外壳中，使得QKD可以方便地集成到通信网络系统中，进一步促进量子通信的发展和广泛应用。
1、Mingyang Geng, Xiaolu Yang, Hao Chen, Xinzhi Bo, Mengzi Li, Zhenguo Liu, Weibing Lu. Optically transparent graphene-based cognitive metasurface for adaptive frequency manipulation[J]. Photonics Research, 2023, 11(1): 129
2、Guanchao Wang, Li Li, Chenxiang Liu, Shuai Li, Wenpeng Guo, Yueying Jia, Zhenghao Li, and Hao Tian. Tunable terahertz slow light with hybrid coupling of a magnetic toroidal and electric dipole metasurface[J]. Photonics Research, 2023, 11(4): 494
3、Lang Li, Tao Wang, Xinhang Li, Peng Huang, Yuyao Guo, Liangjun Lu, Linjie Zhou, Guihua Zeng. Continuous-variable quantum key distribution with on-chip light sources[J]. Photonics Research, 2023, 11(4): 504
