基于芯片的量子密钥分发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，该系统能够以前所未有的速度传输安全密钥。原理验证实验是朝着这种高度安全的通信方法的实际应用迈出的重要一步。

QKD 是一种为远方之间的安全通信提供密钥的成熟方法。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计算复杂性。

“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，”瑞士日内瓦大学的研究团队成员Rebecka Sax说。“实现这一目标的一个重要和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制造光学系统。

在《光子学研究》(Photonics Research)的一篇文章中，由日内瓦大学(University of Geneva)的雨果·兹宾登(Hugo Zbinden)领导的研究人员描述了他们的新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，低成本和易于批量生产。

“虽然QKD可以为银行，健康和国防等敏感应用提供安全性，但它还不是一种广泛的技术，”萨克斯说。 “这项工作证明了技术的成熟度，并有助于解决通过光集成电路实现它的技术细节，这将允许集成到网络和其他应用中。

构建更快的基于芯片的系统

在以前的工作中，研究人员开发了一种三态时间箱QKD协议，该协议使用基于标准光纤的组件进行，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现相同的协议，”Sax说。 “集成光子系统的紧凑性，稳健性和易于操作 - 在实施或在网络中进行故障排除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的光子，并使用接收器来检测它们。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学公司Sicoya GmbH和日内瓦的量子网络安全公司ID Quantique合作，开发了一种硅光子学发射器，该发射器将光子集成电路与外部二极管激光器相结合。

QKD接收器由二氧化硅制成，由一个光子集成电路和两个外部单光子探测器组成。意大利米兰CNR光子学和纳米技术研究所的Roberto Osellame小组使用飞秒激光微加工来制造接收器。

“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的创纪录速度准确产生和编码光子，”Sax说。 “对于接收器，低损耗和偏振独立光子集成电路和一组外部探测器允许被动和简单地检测发射的光子。将这两个组件与标准单模光纤连接，可以实现密钥的高速生成。

低损耗、高速传输

在彻底表征了集成发射器和接收器后，研究人员使用它使用不同的模拟光纤距离以及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，这使得量子比特误码率低至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)，而且损耗极低，约为3 dB。

“在密钥速率产生和量子比特误码率方面，这些新实验产生的结果与以前使用基于光纤的组件进行的实验相似，”Sax说。 “然而，QKD系统比以前的实验设置更简单，更实用，因此显示了将该协议与集成电路一起使用的可行性。

研究人员现在正在努力将系统部件安置在一个简单的机架外壳中，以便QKD可以在网络系统中实现。