中国科大郭光灿团队实现抗扰动的集成量子密钥分发系统

光子盒研究院出品

量子密钥分发（QKD）使相距甚远的双方通过传输遵循量子物理学规律的光子来共享密钥。QKD的安全基础是光子计数率和量子比特错误率（QBER），而这很大程度上取决于QKD系统的自稳定性。受环境变化所导致的光学元件和信道的偏振扰动将影响系统稳定性，中断甚至终止QKD程序。

为改善QKD的自稳定性，中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室郭光灿院士团队在平面光波电路（PLC）的基础上，利用混合非对称Faraday-Michelson干涉仪（AFMI）开发并验证了time-bin方案的集成光量子编解码芯片。该团队基于该芯片搭建了光脉冲重复频率为1.25 GHz的QKD系统，并通过优化的分析模型在50公里的光纤通道上获得了1.34Mbps的平均安全密钥率（SKR）。量子比特错误率（QBER）和SKR在随机偏振扰动下的稳定变化表明，基于PLC的AFMI可用于开发自稳定的QKD系统。

研究成果以《使用平面光波电路芯片的偏振不敏感的量子密钥分发》为题发表在《中国科学信息科学》杂志上[1]。作者是郭光灿、张国威、陈巍、安俊明和韩正甫等人。

集成光子学的发展促进了QKD的发展。所有平台中，PLC特别适合于实现QKD系统的光学解码器，因为其插入损耗相对较低。然而，由于光纤通道中的双折射，PLC的内在偏振依赖性仍然可能降低QKD系统的性能。

早在2021年，陈巍团队提出了一种混合封装的非对称Faraday-Michelson干涉仪（AFMI）[2]，由PLC芯片和法拉第旋转镜（FM）组成，可以在很宽的温度范围内对器件和通道的偏振扰动进行自我补偿。然而，这种方法仍然需要一个温度控制系统来调整和保持干涉仪臂之间的相位差。因此，团队开发了一个基于上述AFMI结构的QKD解码器芯片，它可以被动地完成time-bin编码BB84协议的测量。

基于PLC的解码器芯片。(a)解码器的结构，红色虚线框住的部分是AFMI。(b)解码器及其封装的照片。

如上图所示，硅基PLC芯片的尺寸约为38.5毫米×24毫米。PLC芯片与调频器和光纤阵列（FA）相耦合，然后将电极用线粘在印制电路板（PCB）上，一个AFMI和一个外部强度调制器（IM）作为编码器，以1.25GHz的时钟频率进行time-bin编码和解扰态调制。

通过利用time-bin方案和AFMI的自稳定性，该芯片在很宽的温度范围内具有内在的偏振不敏感度，而且不需要基底的温度控制器。

实验设计中采用了BB84协议的time-bin编码，并采用了单诱骗态法（one-decoy state method）。解码芯片的结构如下图所示，它包括两个级联定向耦合器（DC）和一对不对称波导。Alice的PLC芯片的DC1可以用来监测量子光源的光功率，并起到随机选择Z或X基单光子的作用，以测量Bob的入射光子。来自DC2的PLC芯片上的两个分光比为50:50的臂被耦合到两个FM上，形成一个AMFI。在两个臂的每个波导上有两个热光学相位调制器（TOPM）来调整相对相位。

实验装置。(a)实现QKD的实验装置。Laser，激光源；PC，偏振控制器；IM，强度调制器；Amp，射频放大器；DCM，色散补偿模块；VOA，可变光衰减器；PS，偏振扰频器；SMF，单模光纤；SPD-X和SPD-Z，X和Z基的单光子探测器；QCRP，量子密码学研究平台。(b)QCRP的照片。(c)状态编码

实验系统使用名为“量子密码学研究平台”（QCRP）的模块化仪器进行控制，该仪器遵循先进电信计算架构扩展用于仪器和测试标准（AXIe）。该平台的内核是一个基于现场可编程门阵列（FPGA）的控制板。如上图所示，QCRP包括光源、高速脉冲发生器、可调电流源、高带宽放大器、单光子探测器和时间数字转换器（TDC）等模块，它们通过后面板与内核控制板连接。

研究团队只使用一个强度调制器（IM）来完成每个量子光脉冲的位基调制和诱导强度调制。IM的高速驱动信号是用一个任意波形发生器（AWG）产生，它被控制并与QCRP的主时钟同步。集成在QCRP中的单光子雪崩探测器（SPAD）是基于InGaAs/InP负反馈雪崩光电二极管；除此之外，研究团队还使用了一个门控率为2.5GHz的SPAD来同时测量QBER和X基的计数率。

根据修改后的分析模型，团队优化了不同量子信道距离下发射器的主要参数，包括选择Z和X基的概率、平均光子数，以及信号和诱骗态的选择概率。QKD实验在50公里的标准单模光纤（SMF）中完成，损耗约为0.2dB/km。光脉冲的色散和由于光纤长度变化引起的同步信号移位可以分别用DCM模块和定时监测反馈环路进行补偿。在75公里、100公里和125公里的光纤通道中，用光学可变衰减器评估了系统性能。实验结果如下所示：

安全密钥率（每个脉冲）与传输距离的函数。黑线表示模拟结果，红色三角形是使用实际SMF通道的结果，蓝色方块是通过VOA模拟光纤长度的结果。

使用50公里SMF和额外的偏振扰动60分钟的系统稳定性。(a)SKR和(b)相应的QBER_Z和ϕ_Z作为时间的函数。

上图中每个数据点的收集间隔约为22s，SKR的3-σ偏差约为平均值的2.9%，而Z基QBER的标准偏差小于0.01%。系统性能在偏振扰动条件下的轻微波动表明，用PLC芯片实现的time-bin QKD系统对偏振不敏感，且内在稳定。

最终，实验结果证明，基于PLC的AMFI可用于实现内在稳定的QKD系统。未来的研究可以进一步实现更好的性能和兼容性：如降低芯片的插入损耗、在芯片中加入Mach-Zehnder干涉仪等可调单元，或与通用模拟框架相结合。

参考链接：

[1]https://www.sciengine.com/SCIS/doi/10.1007/s11432-022-3514-3

[2]https://www.researching.cn/Articles/OJ3d4f5fcd6577bfb2

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