用于量子通信的超導硅光子芯片

  ICC訊 集成量子光子學(xué)(IQP)是實(shí)現可擴展和實(shí)用的量子信息處理的有前景的平臺。到目前為止，大多數的IQP演示都集中在提高基于體和光纖元件的傳統平臺的實(shí)驗穩定性、質(zhì)量和復雜性。一個(gè)更苛刻的問(wèn)題是：“IQP 是否可以進(jìn)行傳統技術(shù)無(wú)法實(shí)現的實(shí)驗?”

  這個(gè)問(wèn)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)導的團隊的肯定回答。正如《先進(jìn)光子學(xué)》(Advanced Photonics)報道的那樣，該研究團隊使用基于硅光子學(xué)的芯片和超導納米線(xiàn)單光子探測器(SNSPD)實(shí)現了量子通信。該芯片的優(yōu)異性能使他們能夠實(shí)現最佳時(shí)間倉貝爾態(tài)測量，并顯著(zhù)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(wù)器，用于安全的量子通信。通過(guò)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(xiàn))的獨特低死區時(shí)間特性，最佳時(shí)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(xiàn))實(shí)現了四個(gè)光子，用紅球表示)。這些反過(guò)來(lái)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(shí)現實(shí)用和可擴展的量子網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)利用集成光波導的SNSPD獨特的高速特性，與傳統的法向入射SNSPD相比，單光子檢測的死區時(shí)間減少了一個(gè)數量級以上。這反過(guò)來(lái)又使該團隊能夠解決量子光學(xué)中長(cháng)期存在的挑戰之一：時(shí)間段編碼量子位的最佳貝爾狀態(tài)測量。

  (a) 實(shí)驗裝置示意圖。執行最佳貝爾狀態(tài)測量的超導硅光子芯片被用作 MDI-QKD 的服務(wù)器，這使得 Alice 和 Bob 可以在沒(méi)有檢測器側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(diǎn))或不同狀態(tài)(紅點(diǎn))時(shí)，對巧合計數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(jìn)步不僅從基礎的角度對量子光學(xué)領(lǐng)域很重要，而且從應用的角度對量子通信也很重要。該團隊利用異構集成超導硅光子平臺的獨特優(yōu)勢，實(shí)現了獨立于測量設備的量子密鑰分發(fā)(MDI-QKD)服務(wù)器。這有效地消除了所有可能的檢測器側信道攻擊，從而顯著(zhù)增強了量子密碼學(xué)的安全性。結合時(shí)分復用技術(shù)，該方法獲得了數量級的MDI-QKD密鑰率提升。

  通過(guò)利用這種異構集成系統的優(yōu)勢，該團隊獲得了具有125MHz時(shí)鐘速率的高安全密鑰速率，可與具有GHz時(shí)鐘速率的最先進(jìn)的MDI-QKD實(shí)驗結果相媲美。

  “與GHz時(shí)鐘速率MDI-QKD實(shí)驗相比，我們的系統不需要復雜的注入鎖定技術(shù)，這顯著(zhù)降低了發(fā)射器的復雜性，”博士生肖東鄭說(shuō)，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，而且與傳統平臺相比，還顯著(zhù)提升了系統性能。結合集成QKD發(fā)射器，一個(gè)完全基于芯片的、可擴展的、高密鑰率的都市量子網(wǎng)絡(luò )應該在不久的將來(lái)實(shí)現?！瘪R說(shuō)。

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