南京大学在量子密钥分发系统集成化方面取得突破
一个中国研究团队在量子密钥分发(QKD)系统集成化方面取得了重要突破。南京大学马小松教授、吴培亨院士、祝世宁院士、陆延青教授等联合中山大学蔡鑫伦教授等成功开发了用于MDI-QKD(测量设备无关的量子密钥分发)的异质集成超导硅光子芯片，相关成果于近日发表在Advanced Photonics杂志上[1]。一个完全基于芯片的、可扩展的、高性价比的城域量子网络会在不久的将来实现。
理论上QKD可以为通信双方提供信息论安全的密钥，但是实际的QKD系统很难满足安全协议证明中假设的各种理想化的模型。
实际QKD系统的设计实现往往会泄露一定程度的侧信道信息。攻击者Eve可以利用侧信道获取一部分的密钥信息，从而降低系统的安全性和可用性，常见的侧信道攻击方式包括时移攻击、伪态攻击、强光致盲攻击等。
2012年，H. K. Lo等人提出了测量设备无关(Measurement-Device-Independent, MDI)的QKD协议，可以消除探测器侧信道漏洞，同时可以极大的增大通信距离。MDI-QKD不依赖传统QKD协议中的可信节点，只需要一个中心节点(Charlie)来执行贝尔态测量(BSM)。两个发送者(Alice和Bob)之间的相关性可以从BSM结果中获得。重要的是，即使Charlie不被信任，只要Charlie能将他的两个光子投影到贝尔态，就可以保证MDI-QKD的安全性。
从硬件的角度来看，最近涉及QKD的特定集成光子器件取得了进展，包括基于硅调制器的片上编码器，片上发射器——包括激光器、光电二极管、基于磷化铟的调制器，基于氮氧化硅和二氧化硅的解码器，以及用于连续变量(CV)QKD的集成硅光子芯片。MDI的概念也已扩展到CV协议，并且能够以可观的速率应用于多方城域网。
然而，QKD中使用的大部分组件，包括激光器、调制器和无源元件(如分束器(BS)和衰减器)广泛用于经典光通信系统，并非专门为QKD设计。此外，单光子探测器对于离散变量QKD系统是必不可少的，因为发送者的脉冲必须具有<1的平均光子数以保证通信安全。到目前为止，单光子探测器集成芯片平台还没有应用于MDI-QKD系统。在这项工作中，研究人员报告了异质集成超导硅光子芯片的实现，以及它在MDI-QKD中的应用。
在本文的MDI-QKD系统中，研究人员使用时间仓(time-bin)量子比特来编码信息，这非常适合基于光纤的量子通信，因为它们不受光纤中随机偏振旋转的影响。通过利用最佳BSM和时分复用，与不使用这两种技术的系统相比，密钥生成速率提高了一个数量级，与最先进的MDI-QKD实验结果相当(时钟频率为GHz)。
该团队的异质集成超导硅光子平台提供了一种服务器架构，用于实现具有完全连接的二分图拓扑的多用户非信任节点量子网络。
如图1(b)所示，调制的弱相干脉冲由Alice(A1,A2,…,An)和Bob(B1,B2,…,Bn)制备并被发送到路由器。两个路由器选择一对通信的Alice和Bob，并将它们的脉冲发送到Charlie控制的非信任中继服务器。在Charlie处，一个具有多个低死区时间、低定时抖动和高效率探测器的芯片与低损耗硅光子器件结合用于实现BSM。此配置允许Alice侧的任何用户与Bob侧的任何用户通信，从而实现完全连接的二分量子网络。
实验装置如图2(a)所示，Alice(Bob)将工作波长约为1536.47 nm的连续激光斩波为所需的脉冲序列。脉冲宽度约为370 ps，间隔12 ns，速率为41.7 MhZ(1/24 ns)。Z基(X基)状态是通过使用强度调制器(IM)将激光斩波为|e⟩或(和)|l⟩状态而产生的。两个基中每个脉冲的平均光子数大致相同。产生的脉冲被发送到具有(或没有)π相移的相位调制器(PM)中，用于产生|−⟩(|+⟩)状态。施加到调制器的电信号由任意波形发生器(AWG)产生。此外，50:50分束器(BS)结合功率传感器(PS)用于监控每个编码器中激光功率的长期稳定性。
这些脉冲随后被发送到Charlie的中继服务器芯片，该芯片安装在基础温度为2.1 K(-271.05摄氏度)的闭循环低温恒温器中的纳米定位器上。图2(b)中显示了U形波导集成超导纳米线单光子探测器(SNSPD)，其中超导纳米线(80 nm宽，80 μm长)以红色突出显示，硅光波导(500 nm宽)以蓝色显示。图2(c)显示了光子晶体光栅耦合器的扫描电子显微镜图像，它将来自光纤阵列的光耦合到芯片。
研究表明，这种芯片出色的光电性能不仅有利于实验性的高可见度HOM干涉(双光子干涉)和低量子密钥误码率(QBER)，而且使研究人员能够首次对时间仓量子比特执行最佳BSM。
该团队利用时分复用提高了密钥速率。不同损耗的安全密钥速率如图3所示。在125 MHz的时钟频率下，在24.0 dB的损耗下获得了6.166 kbps的密钥速率。其中芯片插入损耗约4.5 dB，那么实际传输损耗约19.5 dB，对应98 km标准光纤。本文作者表示，这是在MDI-QKD中以20 dB传输损耗实验获得的最高安全密钥速率，适用于在没有探测器漏洞的城域量子网络环境中。此外，他们在约35.0 dB和44.0 dB的总损耗下分别获得了170 bps和34 bps的安全密钥速率。
他们强调，125 MHz时钟系统的安全密钥速率非常接近GHz时钟速率下的最佳MDI-QKD实验。与GHz时钟速率MDI-QKD实验相比，该系统不需要复杂的注入锁定技术，这大大降低了发射器的复杂性。
文章最后提到，这项工作表明，与传统平台相比，集成量子光子芯片不仅提供了一条小型化的途径，还显著提高了系统性能。他们基于芯片的中继服务器也可以用于双场量子密钥分发(TF-QKD)，TF-QKD可以在没有量子中继器的情况下克服QKD的速率-距离限制，在远程城际通信链路中不可或缺。此外，本文中提出的基于芯片的MDI-QKD协议中继服务器可能是可扩展的非信任节点城域量子网络的理想解决方案。使用更先进的波导集成SNSPD可以进一步改进具有高探测效率、低定时抖动和高重复率的集成服务器。
马小松教授表示：“结合光子芯片发射器，在不久的将来，一个完全基于芯片的、可扩展的、高密钥速率的MDI-QKD城域量子网络应该会实现。”
目前在光量子芯片研究方面，南京大学处于领先地位。最近，南京大学项目成果“功能集成光量子芯片”入选并亮相国家“十三五”科技创新成就展。这是在陆延青教授主持，祝世宁院士等指导的“量子调控与量子信息”重点专项的资助下，围绕功能集成光子芯片及其应用这一目标，在高维量子光源、光量子芯片构架和移动量子通信平台系统等方面取得的系统性成果。本次用于MDI-QKD系统的集成芯片是该领域的又一次突破。
论文链接：
https://www.spiedigitallibrary.org/proceedings/DownloadFigures?url=/ContentImages/Journals/APDHC9/3/5/055002/FigureImages/AP_3_5_055002_f005.png
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