用于量子通信的超導(dǎo)硅光子芯片

  ICC訊 集成量子光子學(xué)(IQP)是實現(xiàn)可擴(kuò)展和實用的量子信息處理的有前景的平臺。到目前為止，大多數(shù)的IQP演示都集中在提高基于體和光纖元件的傳統(tǒng)平臺的實驗穩(wěn)定性、質(zhì)量和復(fù)雜性。一個更苛刻的問題是：“IQP 是否可以進(jìn)行傳統(tǒng)技術(shù)無法實現(xiàn)的實驗?”

  這個問題得到了南京大學(xué)馬曉松和張拉寶和中山大學(xué)蔡新倫共同領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊的肯定回答。正如《先進(jìn)光子學(xué)》(Advanced Photonics)報道的那樣，該研究團(tuán)隊使用基于硅光子學(xué)的芯片和超導(dǎo)納米線單光子探測器(SNSPD)實現(xiàn)了量子通信。該芯片的優(yōu)異性能使他們能夠?qū)崿F(xiàn)最佳時間倉貝爾態(tài)測量，并顯著提高量子通信中的傳輸速率。

  超導(dǎo)硅芯片用作不受信任的中繼服務(wù)器，用于安全的量子通信。通過利用波導(dǎo)集成超導(dǎo)單光子探測器(中間帶有發(fā)夾形狀的紅線)的獨(dú)特低死區(qū)時間特性，最佳時間倉編碼貝爾狀態(tài)測量(顯示為之間的藍(lán)色和灰色波浪狀曲線)實現(xiàn)了四個光子，用紅球表示)。這些反過來又提高了量子通信的安全密鑰率。

  單光子探測器是量子密鑰分發(fā) (QKD) 的關(guān)鍵元件，非常適合光子芯片集成以實現(xiàn)實用和可擴(kuò)展的量子網(wǎng)絡(luò)。通過利用集成光波導(dǎo)的SNSPD獨(dú)特的高速特性，與傳統(tǒng)的法向入射SNSPD相比，單光子檢測的死區(qū)時間減少了一個數(shù)量級以上。這反過來又使該團(tuán)隊能夠解決量子光學(xué)中長期存在的挑戰(zhàn)之一：時間段編碼量子位的最佳貝爾狀態(tài)測量。

  (a) 實驗裝置示意圖。執(zhí)行最佳貝爾狀態(tài)測量的超導(dǎo)硅光子芯片被用作 MDI-QKD 的服務(wù)器，這使得 Alice 和 Bob 可以在沒有檢測器側(cè)信道攻擊的情況下交換安全密鑰。(b) 當(dāng) Alice 和 Bob 發(fā)送相同狀態(tài)(藍(lán)點(diǎn))或不同狀態(tài)(紅點(diǎn))時，對巧合計數(shù)的破壞性和建設(shè)性干擾。(c) 不同損失下的安全密鑰率。

  這一進(jìn)步不僅從基礎(chǔ)的角度對量子光學(xué)領(lǐng)域很重要，而且從應(yīng)用的角度對量子通信也很重要。該團(tuán)隊利用異構(gòu)集成超導(dǎo)硅光子平臺的獨(dú)特優(yōu)勢，實現(xiàn)了獨(dú)立于測量設(shè)備的量子密鑰分發(fā)(MDI-QKD)服務(wù)器。這有效地消除了所有可能的檢測器側(cè)信道攻擊，從而顯著增強(qiáng)了量子密碼學(xué)的安全性。結(jié)合時分復(fù)用技術(shù)，該方法獲得了數(shù)量級的MDI-QKD密鑰率提升。

  通過利用這種異構(gòu)集成系統(tǒng)的優(yōu)勢，該團(tuán)隊獲得了具有125MHz時鐘速率的高安全密鑰速率，可與具有GHz時鐘速率的最先進(jìn)的MDI-QKD實驗結(jié)果相媲美。

  “與GHz時鐘速率MDI-QKD實驗相比，我們的系統(tǒng)不需要復(fù)雜的注入鎖定技術(shù)，這顯著降低了發(fā)射器的復(fù)雜性，”博士生肖東鄭說，他是馬氏課題組學(xué)生，《先進(jìn)光子學(xué)》(Advanced Photonics)論文第一作者。

  “這項工作表明，集成量子光子芯片不僅提供了小型化的途徑，而且與傳統(tǒng)平臺相比，還顯著提升了系統(tǒng)性能。結(jié)合集成QKD發(fā)射器，一個完全基于芯片的、可擴(kuò)展的、高密鑰率的都市量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該在不久的將來實現(xiàn)。”馬說。

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