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(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展和實(shí)用的量子信息處理的有前景的平臺(tái)。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(tái)的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性、質(zhì)量和復(fù)雜性。一個(gè)更苛刻的問(wèn)題是：“IQP 是否可以進(jìn)行傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)?”

  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(dǎo)的團(tuán)隊(duì)的肯定回答。正如《先進(jìn)光子學(xué)》(Advanced Photonics)報(bào)道的那樣，該研究團(tuán)隊(duì)使用基于硅光子學(xué)的芯片和超導(dǎo)納米線(xiàn)單光子探測(cè)器(SNSPD)實(shí)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(shí)間倉(cāng)貝爾態(tài)測(cè)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(guò)利用波導(dǎo)集成超導(dǎo)單光子探測(cè)器(中間帶有發(fā)夾形狀的紅線(xiàn))的獨(dú)特低死區(qū)時(shí)間特性，最佳時(shí)間倉(cāng)編碼貝爾狀態(tài)測(cè)量(顯示為之間的藍(lán)色和灰色波浪狀曲線(xiàn))實(shí)現(xiàn)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(cè)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(xiàn)實(shí)用和可擴(kuò)展的量子網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)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(cè)的死區(qū)時(shí)間減少了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。這反過(guò)來(lái)又使該團(tuán)隊(duì)能夠解決量子光學(xué)中長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)之一：時(shí)間段編碼量子位的最佳貝爾狀態(tài)測(cè)量。

  (a) 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。執(zhí)行最佳貝爾狀態(tài)測(cè)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(méi)有檢測(cè)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(shí)，對(duì)巧合計(jì)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(duì)量子光學(xué)領(lǐng)域很重要，而且從應(yīng)用的角度對(duì)量子通信也很重要。該團(tuán)隊(duì)利用異構(gòu)集成超導(dǎo)硅光子平臺(tái)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立于測(cè)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(cè)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(shí)分復(fù)用技術(shù)，該方法獲得了數(shù)量級(jí)的MDI-QKD密鑰率提升。

  通過(guò)利用這種異構(gòu)集成系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，該團(tuán)隊(duì)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(yàn)結(jié)果相媲美。

  “與GHz時(shí)鐘速率MDI-QKD實(shí)驗(yàn)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(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(xiàng)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(tái)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(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)。”馬說(shuō)。

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