中国科大联合合肥硅臻实现高安全性量子密钥分发片上调制器

光子盒研究院出品

近日，中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心以及中国科学技术大学微纳研究与制造中心与合肥硅臻芯片技术有限公司合作，针对现有集成QKD系统中调制器存在的调制相关损耗问题和调制深度不足问题，设计并制备了一种透过率恒定的片上相位调制器。

2022年10月13日，研究成果以《用于基于芯片的量子密钥分发的透过率恒定相位调制器》为题，发表在期刊《Optics Express》上。

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集成QKD系统存在安全漏洞：亟需高速相位调制

量子密钥分发（QKD）提供了一种可行的方法，基于量子力学的基本原理，实现合法通信者（通常称为Alice和Bob）之间无条件的安全密钥共享。为了促进其实用性，集成QKD作为一种新兴技术，近年来已被证明可以降低QKD系统的成本和规模。在集成QKD系统中，高速相位调制是一个至关重要的功能，因为它不仅被用作相位调制器（PM），而且也是强度调制器和偏振调制器的核心部件：它几乎涉及到量子态制备的所有片上高速操作，包括脉冲产生、相位编码或随机化、诱饵态制备、偏振编码和基点选择。

然而，由于现实器件的不完善，QKD系统中总是存在一些潜在的安全漏洞，对于集成系统也是如此。在一些基于芯片的偏振编码器中，偏振相关损耗（PDL）基本上是由EOPM的相位相关损耗引起的。因此，相位相关损耗的存在导致了调制量子态的相位、强度和偏振之间的相关性。

在QKD系统中，除了信号状态的非相关调制外，需要更多的相位点（两点以上）进行编码或相位随机化。然而，已有的解决方案都不能满足基于芯片的QKD系统中量子态制备的所有要求，同时消除相位相关的损耗。

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透过率恒定相位调制器：加强QKD的实际安全性

此次实验中，郭光灿团队提出了一个透过率恒定相位调制器（TIPM）来解决上述综合问题：

• TIPM可以消除量子态的相位、强度和偏振之间的关联性，从而可以用来解决芯片上QKD系统由于相位依赖性损失而产生的实际安全问题；
• 同时，TIPM打破了以往方案中只能达到两相点的限制，甚至可以实现2𝜋的连续调制，使片上QKD系统有更多的相态准备和完美的相位随机化，可以应用于更多的QKD协议，如连续可变QKD；
• TIPM具有相当大的制造公差，其设计方法TIPM可以很容易地扩展到其他EOPM和材料平台。

综上，TIPM的提出提高了基于芯片的QKD系统的实际安全性和性能。

TIPM的基本设计思想可以描述如下：对于存在相位损失的电光相位调制器（EOPM），调制结果的相位和强度是相关的，另一个同样将相位与强度相连的典型结构是Mach–Zehnder干涉仪（MZI）。如果构建一个适当的结构，使随相位变化的EOPM和MZI的强度可以相互抵消，那么就可以实现透过率不变的相位调制。

TIPM的示意图。(a)TIPM的设计结构和(b)模具图片。在两个臂上都有一个热光学相位调制器（TOPM）和一个载流子耗尽相位调制器（CDPM）。在两个臂上使用相同的器件，光场可以得到很好的平衡。TOPM可以被看作是一种理想的PM，它可以调节相位而没有相位损失，而CDPM会导致透过率的变化。光栅耦合器（GC）用于耦合输入和输出光信号。

TIPM的仿真结果。

验证TIPM调制的设置。LD：1550nm的激光二极管；SMF BS：BSR为50:50的单模光纤分光器；PMF BS：BSR为50:50的保偏光纤分光器；PC：偏振控制器；VOA：可变光衰减器；TDL：可调谐光延迟线；PM：光纤相位调制器；PBS：偏振分光器；PD：光功率检测器。黑线和蓝线分别对应于单模光纤和偏振保持光纤。

红色星号（或线）和蓝色三角形分别是TIPM的模拟和实验结果，(a) {0, 𝜋}和(b) {0, 𝜋/2, 𝜋, 3𝜋/2}离散相位调制，和(c) [0, 2𝜋] 连续相位调制。所有的数据都被归一化到各自的0相位点。

在存在相位损失的情况下，使用不同的相位调制器（PM），密匙率是通信距离的函数。蓝线表示消除了相位损失的TIPM。黄线、紫线和红线表示SOI平台上的三种基于等离子体色散效应的永磁体：CUMEC的CDPM1，IMEC的CDPM2，以及IME的CIPM。绿线表示磷化铟平台的Franz-Keldysh效应PM。

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现实意义：更安全、高性能、基于芯片的QKD系统

在这项工作中，实验团队提出并演示了一种TIPM，以消除量子态的相位、偏振和强度之间的相关性，它对加强基于芯片的QKD系统的实际安全性有好处。

在此基础上，TIPM增加了现有EOPM可实现的调制深度，从而实现了多点离散（两点以上）甚至[0,2𝜋]连续相位调制，这在以前的解决方案中是不可能的。这完美地满足了实际QKD系统的要求，极大地拓宽了调制深度不足的EOPM的应用场景。此外，TIPM具有相当大的制造公差，其实现不需要设计特殊的部件，只要在标准工艺设计工具包（PDK）中就足够了。TIPM的设计方法可以很容易地扩展到其他类型的EOPM中，如CIPM和基于FKE的PM，以解决同样的问题。此外，其同时调制强度和相位的能力促进了TIPM成为一个多合一的设备，它可以直接用作一些QKD协议的简单发射器。

总之，TIPM可以大大有利于建立一个更安全和更高性能的基于芯片的QKD系统。

论文链接：

https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-30-22-39911&id=509921

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