用于量子通信的超導硅光子芯片

  ICC訊 集成量子光子學(IQP)是實現(xiàn)可擴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)量和復雜性。一個更苛刻的問題是：“IQP 是否可以進行傳統(tǒng)技術(shù)無法實現(xiàn)的實驗?”

  這個問題得到了南京大學馬曉松和張拉寶和中山大學蔡新倫共同領導的團隊的肯定回答。正如《先進光子學》(Advanced Photonics)報道的那樣，該研究團隊使用基于硅光子學的芯片和超導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。

  超導硅芯片用作不受信任的中繼服務器，用于安全的量子通信。通過利用波導集成超導單光子探測器(中間帶有發(fā)夾形狀的紅線)的獨特低死區(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)實用和可擴展的量子網(wǎng)絡。通過利用集成光波導的SNSPD獨特的高速特性，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。這反過來又使該團隊能夠解決量子光學中長期存在的挑戰(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)測量的超導硅光子芯片被用作 MDI-QKD 的服務器，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 Alice 和 Bob 發(fā)送相同狀態(tài)(藍點)或不同狀態(tài)(紅點)時，對巧合計數(shù)的破壞性和建設性干擾。(c) 不同損失下的安全密鑰率。

  這一進步不僅從基礎的角度對量子光學領域很重要，而且從應用的角度對量子通信也很重要。該團隊利用異構(gòu)集成超導硅光子平臺的獨特優(yōu)勢，實現(xiàn)了獨立于測量設備的量子密鑰分發(fā)(MDI-QKD)服務器。這有效地消除了所有可能的檢測器側(cè)信道攻擊，從而顯著增強了量子密碼學的安全性。結(jié)合時分復用技術(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)不需要復雜的注入鎖定技術(shù)，這顯著降低了發(fā)射器的復雜性，”博士生肖東鄭說，他是馬氏課題組學生，《先進光子學》(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、可擴展的、高密鑰率的都市量子網(wǎng)絡應該在不久的將來實現(xiàn)?！瘪R說。

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