重要进展！东芝宣布推出全球首个基于芯片的量子密钥分发系统

光子盒研究院出品

10月21日，位于英国剑桥的东芝欧洲公司宣布其已经开发了世界上第一个基于芯片的量子密钥分发(QKD)系统。这一进展将推动量子安全技术的大规模制造，将其应用于更广泛的场景，包括物联网解决方案。

为了让量子加密变得像我们今天使用的算法加密一样无处不在，需要进一步减小尺寸、重量和功耗。这尤其适用于将QKD和量子随机数生成器(QRNG)扩展到新的领域，例如与客户或物联网的最后一公里连接。因此，开发基于芯片的解决方案对于实现大规模市场应用至关重要，这将是实现量子就绪经济不可或缺的一部分。

东芝开发了“将用于QKD和QRNG的光学电路缩小至微型半导体芯片”的技术。这些芯片不仅比光纤产品更小、更轻，而且功耗更低。

最重要的是，这些芯片可以使用半导体工业中的标准技术在同一半导体晶片上并行制造，从而可以实现批量制造。例如，东芝开发的量子发射器芯片尺寸仅为2 x 6 mm，可以在一个晶圆上同时生产数百个芯片。

QKD系统通常包括复杂的光纤电路，以及集成分立元件，如激光器、电光调制器、分束器和光纤耦合器。

由于这些元件体积较大且价格昂贵，因此，东芝研究团队开展这项工作的目的是开发一种新型QKD系统，其中光纤电路和器件写入毫米级半导体芯片。

东芝宣布其已经开发了第一个完整的基于芯片的QKD原型，该系统中部署了不同功能的量子光子芯片。

用于制备和测量量子比特的随机比特在量子随机数发生器芯片中产生，并使用现场可编程门阵列(FPGA)实时转换为基于芯片的QKD发射器(QTx)和接收器(QRx)的高速调制模式。

使用超快门控单光子探测器光子。筛选、光子统计评估、时间同步和相位稳定都是通过FPGA内核之间的10 Gb/s光链路完成的，支持长时间的自主操作。作为演示的一部分，芯片QKD系统与商业加密机接口，安全传输速率100 Gb/s。

为了促进与传统通信基础设施的集成，QKD的设备被组装在紧凑的1U机架式机箱中。QRx和QTx芯片封装在C-form-factor-plugged-2(CFP 2)模块中，这是相干光通信中广泛使用的一种形式，以确保系统与连续几代QKD芯片的向前兼容，使其易于升级。现成的10 Gb/s小型可插拔(SFP)模块用于公共通信通道。 

技术细节已经发表在《自然·光子学》杂志。

文章的第一作者兼通讯作者Taofiq K. Paraïso说：“我们正在见证光子集成电路的一场类似于电子电路的革命。光子集成(PIC)不断为越来越多样化的应用提供服务。当然，对量子PIC的要求比传统应用更严格，但这项工作表明，现在可以实现完全可部署的基于芯片的QKD系统，这标志着完成了量子技术的一个重要挑战。这为紧凑型、即插即用的量子设备的部署开辟了广阔的前景，必将对我们的社会产生重大影响。”

当前加密技术面临未来更强大计算机的威胁。特别是，大规模量子计算机将能够有效地解决困难的数学问题，这些问题是当今广泛用于安全通信和电子商务的公钥密码的基础。

相比之下，用于量子加密的协议可以从第一性原理证明是安全的，并且不易受到量子计算机或未来任何计算机的攻击。

对于这项工作所取得的成果，东芝欧洲量子技术负责人Andrew Shields表示：“光子集成将使我们能够以高度可重复的方式批量制造量子安全设备。它将使量子产品能够以更小的体积生产，并随后使QKD能够扩展到电信和数据通信网络中的更多应用。”

东芝公司企业高级副总裁兼首席数字官Taro Shimada表示：“东芝在英国投资量子技术研发已经超过二十年。这一最新进展意义重大，将使我们能够大量生产和交付QKD。这是我们基于无处不在的量子安全设备构建量子安全通信平台愿景的一个重要里程碑。”

东芝预计，到2035财年，全球QKD市场将增长至约200亿美元。欧洲和东南亚目前正在建设大型量子安全光纤网络，并计划发射卫星，将网络扩展到全球范围。

2020年10月，东芝为基于光纤的QKD发布了两款基于分立光学元件的产品。东芝与项目合作伙伴一起，在英国、欧洲、美国和日本实施了量子安全城域网和长距离光纤骨干链路。

参考链接：

[1]https://phys.org/news/2021-10-quantum-key-technology-semiconductor-chip.html

[2]https://www.nature.com/articles/s41566-021-00873-0

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