中科大陈巍等: 抗干扰的集成量子秘钥分发系统
Guo-wei Zhang, Wei Chen, Guan-jie Fan-yuan, Li Zhang, Fang-xiang Wang, Shuang Wang, Zhen-qiang Yin, De-yong He, Wen Liu, Jun-ming An, Guang-can Guo & Zheng-fu Han. Polarization-insensitive quantum key distribution using planar lightwave circuit chips. Sci China Inf Sci, DOI: 10.1007/s11432-022-3514-3
量子密钥分发（Quantum key distribution，QKD）以量子力学的基本原理为安全性基础，结合“一次一密”的加密手段，可以提供理论上无条件安全的通信。自1984年被提出以来，QKD取得了飞速的发展，从实验室逐步走上工程和实用化道路。QKD的安全性本质是根据系统参数统计结果，准确评估泄露至窃听者的信息量。这些参数的统计结果在很大程度上取决于实际QKD系统的自稳定性，因此会受环境变化所导致的信道和器件中偏振扰动的影响。针对这一问题，研究者们提出了多种解决方案，包括主动反馈补偿、plug-and-play结构，Faraday-Michelson（FM）系统等。
近年来快速发展的集成光子学为QKD的广泛应用提供了一个理想的平台。集成光子学器件具有小尺寸、高精度、低成本和规模化生产等优势，能够对量子密钥分配的稳定性、安全密钥率和实际安全性等核心性能带来显著的提升。在多种集成材料体系中，基于硅基二氧化硅材料的平面光波导（Planar Light-wave Circuits，PLC）材料具有相对较低的插入损耗和偏振相关性，因此适合于QKD应用的解码端。但是，由于加工和弯曲等实际因素造成的少许双折射特性仍然不可忽视，需要采取手段进一步处理。Nambu等人和Li等人提出了一种通过精确控制芯片温度，最小化两种偏振模式之间的相对相位差来消除偏振相关性的解决方案。该方法要求芯片在很宽的温度范围内寻找特定工作点，对温度控制单元提出了严格的要求，同时使功耗增加，也不是一种普适的偏振无关方案。本文作者曾提出了一种混合封装的非对称法拉第-迈克尔逊干涉仪 (AFMI)，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自补偿器件和通道的偏振扰动。
本文中，作者在AFMI基础上研制了一种可用于时间戳-相位（time-bin）编码方案的集成光量子编解码芯片，并基于该芯片搭建了光脉冲重复频率为1.25 GHz 的QKD系统。同时，考虑单光子探测器的后脉冲效应和有限长效应等实际工作条件，改进了相应QKD系统的理论分析模型以及参数选择方法。在存在随机扰偏的 50 km 光纤信道下，安全密钥率约为 1.34 Mbit/s ± 13 kbit/s，即标准差小于 1%，验证了系统抗信道偏振扰动的能力。
1. 基于AFMI结构，设计并实现了time-bin方案的集成光量子编解码芯片。基于该芯片实现的量子密钥分配实验系统，具有全局偏振自补偿能力，无需温控，仅需对干涉仪进行相位跟踪即可稳定获得低误码率和较高的成码性能。
2. 考虑高重频time-bin编码系统中的后脉冲等误码来源，优化了参数选择方法，改进了有限长条件下的码率计算公式，得到了可精确刻画实际系统行为的分析模型，可以在实验中取得更高的安全码率。
通过自主设计与加工，成功搭建了抗干扰的实用化集成量子密钥分发系统，实验结果表明，系统可以在存在环境扰动的情况下维持高速稳定的通信。这一成果为实现高稳定性、小型化、自主可控的量子密钥分配系统提供了技术储备，为将来QKD系统的大规模网络化部署打下基础。
本文将发表在SCIENCE CHINA Information Sciences 2022年第10期 “量子信息”专题上，敬请关注！
张国威 博士
中国科学技术大学
中科院量子信息重点实验室
陈巍 研究员
中国科学技术大学
中科院量子信息重点实验室
安俊明 研究员
中国科学院半导体研究所
韩正甫 教授
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
中国科学技术大学
中科院量子信息重点实验室
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