作者簡介
錢懿
中國信息通訊科技集團光纖通訊技術和網路國家重點實驗室光量子技術科長工程師，博士，主要從事基于硅光集成芯片和三五族集成芯片的量子通訊系統構架設計工作。
胡曉
國家信息光電子創新中心中級工程師，博士，主要從事硅基異質集成調制器、鍺硅偵測器、鍺硅雪崩光電偵測器以及量子秘鑰分發調制器硅光芯片的研究工作。
王磊
中國信息通訊科技集團光纖通訊技術和網路國家重點實驗室硅光研究室處長，中級工程師，博士，主要從事硅基高速光通訊芯片、器件的研究和產業化工作。
肖希
國家信息光電子創新中心總總監，博士，主要從事硅基光電子集成和高速光調制技術研究工作，重點舉辦面向光通訊應用的高速硅光芯片和元件產品的研發工作。
論文引用格式：
錢懿,胡曉,王磊,等.量子秘鑰分發集成光學芯片技術進展[J].信息通訊技術與新政,2021,47(7):32-38.
量子秘鑰分發集成光學芯片技術進展
錢懿1胡曉2王磊1肖希2
（1.中國信息通訊科技集團光纖通訊技術和網路國家重點實驗室，上海；2.國家信息光電子創新中心，北京）
摘要：集成光學芯片技術的快速發展，對量子秘鑰分發設備的商用起到了推動作用，因此有必要研究一種務實的量子秘鑰分發所用的芯片元件發展路徑。剖析了用量子秘鑰分發的集成光學芯片的學術界和工業界研究進展，重點介紹了基于硅基光電子平臺和三五族光電子平臺上的相關研究進展，并對量子秘鑰分發被集成光學芯片技術賦能后的產品形態給出了觀點。
關鍵詞：量子秘鑰分發；離散變量；連續變量
中圖分類號：O413；TN918文獻標示碼：A
引用格式：錢懿,胡曉,王磊,等.量子秘鑰分發集成光學芯片技術進展[J].信息通訊技術與新政,2021,47(7):32-38.
doi：10.12267/j.issn.2096-5931.2021.07.005
0序言
量子秘鑰分發（Key，QKD）從1984年誕生至今，早已發展了37年。其依賴的光電子產業鏈上游，正經歷著光子集成回路（，PIC）技術的迅猛發展，因而對量子秘鑰分發設備的低成本商用起到了一定的推動作用。量子秘鑰分發產品的發展，是全功能單片集成，亦或是每種功能芯片分而治之各自做小做低成本，哪條路徑最務實值得業界思索。
1量子秘鑰分發的背景
量子秘鑰分發的概念是由科學家H.和在1984年提出[1]，即在量子熱學所描述的二維希爾伯特空間中，構造出兩組不正交的基（Basis），在每位基內定義bit0和bit1，進行隨機數的制備、傳輸、探測（見圖1）。該方式后被業界稱之為BB84合同，其信息論安全性也得到了證明[3]。一般BB84合同的QKD系統，發端須要制備布洛赫（Bloch）球面上所對應的起碼兩個基所包含的量子態，比如Z基的量子態和X基的量子態（見圖2）鍺與量子通訊，接收端采用基矢選擇檢測光路，配合單光子偵測器，獲得最終的偵測結果，再由后處理過程提取出安全的等同秘鑰。因為BB84合同的偵測結果是有限個數的風波組合，也被稱為離散變量量子秘鑰分發（-Key，DV-QKD）。以后，別的種類的量子秘鑰分發合同，也陸續被提出，比如基于光場的正則份量的連續變量量子秘鑰分發（-Key，CV-QKD），基于相鄰光脈沖相位關系的分布式相位參考量子秘鑰分發（-Phase-Key，DPR-QKD），具體可見文獻[3]。
圖1BB84合同的簡略流程[2]
圖2BB84合同QKD所制備的量子態在Bloch球上的表示
隨著QKD技術從實驗室邁向商用化設備的發展，世界范圍內各個國家也出現了QKD實驗網路的報道，其中典型的案例是我國的滬寧QKD干線以及布署在該干線重要節點城市內的QKD城域網路[4]。關于QKD傳輸距離的阻礙，可通過可信中繼方法解決。隨著這么多節點的QKD網路的出現，以及在核心站點內布署多套QKD設備作為擴容和主備的需求，則展現了當前商用QKD設備的容積和成本問題（見圖3）。于是，QKD設備大型化、低成本化的訴求也驟然出現。
圖3滬寧干線QKD設備的容積和占用機柜的空間[4]
2傳統大容積分立元件的QKD典型方案
2.1偏振光態編碼BB84合同QKD
在QKD系統發端須要的核心能力包括：相位隨機化脈沖光源、強度調制單元、偏振調制單元；在QKD系統收端須要的核心能力包括：50:50分束器、偏振分束器、電偏振光控制器、單光子偵測器。文獻[4]列出了高重頻（625MHz）和低重頻（40MHz）QKD系統的方案。表1對這兩種方案的工作原理和好壞做了探討，可見這兩種方案下的光學器件，都要占用較大容積，成本也比較大。
表1偏振光BB84合同QKD的高重頻和低重頻系統實現方法對比
2.2時間—相位編碼BB84合同QKD
對于使用了引誘態方式的時間—相位編碼BB84合同QKD系統，在發端須要具備的核心能力有：相位隨機化的脈沖光源、強度調制器、一個附送了相位調制能力的不等臂干涉儀（Mach，AMZI）；在收端須要具備的核心能力有：和發端匹配的AMZI、單光子偵測器（門控式或則自由運轉式）。其中，核心元部件AMZI以分立元件來實現的形態為多模保偏光纖加工制做（見圖4）。諸如，富士通公司所研制的系統就采用了這些方案，其所研發的AMZI具備了低耗損的特性，缺點是規格大，且須要采取額外手段來補償AMZI的相位飄移，比如圖5所示的光纖伸縮器（Fiber，FS）。NEC公司為了解決AMZI制做的困局，采用了氫氧化鋁平面光波導（，PLC）技術，其所構成的時間—相位編碼BB84合同QKD系統，采用了兩個延時寬度匹配的PLC材料AMZI（見圖5），該類方案相比光纖型AMZI改善了加工難度，但因為PLC材料是純無源的波導技術，未能實現快速的相位調制能力，通常多用于功率分配、波分復用、延時線等場景，加上PLC-AMZI還須要良好的控溫技術來確保相位的穩定性，該技術面對QKD中復雜的光路需求，尚有一定的差別。
圖4富士通公司基于光纖AMZI的時間—相位編碼BB84合同QKD[5]
圖5NEC公司基于氫氧化鋁平面光波導AMZI的時間—相位編碼BB84合同QKD[6]
2.3隨路本振型CV-QKD
典型的隨路本振型CV-QKD系統如文獻[7]和圖6所述，須要在發端同源形成量子訊號和本振光，但是在時間和偏振光自由度上復用，促使該系統首先具備高消光比的脈沖能力，典型的則須要2只載流子調制器級聯形成脈沖，量子訊號調制還須要利用1只載流子硬度調制器和1只載流子相位調制器級聯來實現。其實該類系統相較于DV-QKD系統，無需高溫制熱的單光子偵測器而采用普通的低噪音光電偵測器，增加了收端的元件門檻，但因其整體光路的復雜性和體塊式載流子調制器本身的成本，造成隨路本振型CV-QKD系統的整體成本一直較高。
圖6隨路本振型CV-QKD[7]
3用于QKD的集成光學芯片研究進展
3.1基于偏振光編碼的BB84合同QKD集成光學芯片研究進展
偏振光態的調制，可以從偏振光模式的調控入手來實現，通常任意偏振光態可以分解為TE模式和TM模式，并附送這兩個模式的相位差。硅基芯片上的2×2MZ結構調制器，被用作實現兩個輸出端口的光功率分配，以實現TE模式和TM模式的功率差，之后通過相位調制器和二維光柵（甚或是偏振光合成旋轉）結構，將其中一路端口的光偏振光不變輸出，另一路端口的光偏振光旋轉90°輸出，因而可以合成任意的偏振光態。該構架的硅光芯片早已被多個工作組研發實現，比如英國倫敦學院[8]、英國曼徹斯特學院[9]、美國桑迪亞國家實驗室[10]、美國麻省理工大學[11]。該硅基偏振光調制器通過等離子色散效應的電光調制器，可以實現1GHz以上調制頻度，偏振光消光比達到25dB以上，滿足高速偏振光編碼BB84合同QKD的應用。在我國，由國家信息光電子創新中心研發的基于離子色散效應調制結構的硅光偏振光態調制器，也達到了上述幾個單位所研發芯片的等同性能。
應用了1.25GHz高速硅光偏振光調制器的檢測設備無關QKD系統鏈路實驗，在文獻[12]中也被報道，該工作由中國科學技術學院徐飛虎課題組完成，如圖7所示，該實驗系統，在發端應用了硅光偏振光調制器，該調制器芯片封裝后的元件長寬規格僅和一枚一元人民幣硬幣相當；在實驗系統的收端，采用了分立元件（如偏振光控制器、偏振分束器、功率分束器、超導單光子偵測器）搭建的偏振光態檢測光路，在未來，收端的光路也具備芯片化的可能性。
圖7應用了硅光偏振光調制器的檢測設備無關QKD系統實驗[12]
3.2基于時間—相位編碼方法QKD的集成光學芯片研究進展
時間—相位自由度被用于BB84合同QKD以及分布式相位參考QKD（COW、DPS）。文獻[13]報道了美國普利茅斯學院磷化銦（，InP）平臺上的集成QKD發射器，包含激光器、脈沖調制器、相位隨機化調制器、時間—相位態調制器，可以靈活地調制BB84、COW、DPS合同所對應的量子態。對應的接收機，則設計成利用氮氧化硅材料的可調節延時AMZI結構，可以對應地解碼BB84、COW、DPS合同的量子態，最后采用超導單光子偵測器進行偵測。
在文獻[14]中，海思半導體介紹了硅光時間—相位調制器、氮化硅時間—相位譯碼器芯片，其中譯碼制芯片采用被動式解碼結構，去不僅高耗損的電光調制器，并討論了氣溫變化引起的AMZI相位甩尾以及對應的補償算法，系統的激光器、偏振控制器、超導單光子偵測器則采用分立器件。
3.3隨路本振CV-QKD硅光芯片實驗進展
文獻[15]報道了美國南洋理工學院的隨路本振CV-QKD硅光芯片實驗，該芯片的特征是在發射端將量子訊號調制在頻度邊帶，致使訊號和本振的自由度復用只須要偏振光自由度復用即可，無需額外的時間自由度復用,即無需降低芯片內的延時線，簡化了芯片的設計。該芯片得益于成熟的鍺—硅光電偵測器工藝，可以將偵測器單片集成在硅基上，相較于目前報道的DV-QKD和DPR-QKD接收側芯片仍需內置的單光子偵測器，集成度有一定優勢。受限于CV-QKD自身的安全性模型限制，該實驗的系統級傳輸耗損在16dB，相較DV-QKD普遍可以承受20dB鏈路耗損的能力，稍顯遜色。另外須要注意的是，QKD的整體成本不僅光學芯片元件，還有熱學芯片，CV-QKD因為須要數字訊號處理（，DSP），在熱學芯片的成本上比DV-QKD略高一些。
4采用了芯片化方案的QKD系統的未來趨勢剖析
基于第3章的描述可以發覺，業內在DV-QKD領域最熱點的研究是基于硅光芯片的偏振光態調制器技術，應用于偏振光BB84合同QKD的發射端或則檢測設備無關QKD的發射端，這其中包含了單模干涉儀、熱光調制器、電光調制器、二維光柵、偏振旋轉耦合器等一系列無源和有源元件的結合，技術門檻較高，而剛好又能發揮硅光在無源元件和有源元件上豐富的元件庫以及大規模集成能力，惟一美中不足的是硅材料平臺異質集成激光器目前還處于前沿研究階段。而基于時間—相位調制方法的DV-QKD關鍵集成光學芯片，以及CV-QKD的關鍵集成光學芯片，目前報道的研究工作相對較少。在基于三五族平臺的QKD關鍵芯片方面，較少的單位在研發單片集成激光器的時間—相位編碼BB84芯片，比如美國普利茅斯學院的工作[13]。對于QKD的接收端的關鍵芯片，目前業內出現的研究尚少，比如文獻[10]中提及的偏振光態譯碼硅光芯片。面對DV-QKD的應用需求，業內也出現了大型化集成制熱封裝的單光子偵測器產品（比如上海光迅科技的相關產品），即使不是大規模集成芯片式的產品，但在減少QKD設備的容積上，起到了很顯著的推動作用。表2對上述幾類QKD集成光學芯片和元件在未來QKD系統中的發展趨勢做了總結歸納。
表2幾類QKD集成光學芯片和元件的未來發展趨勢
5結束語
量子秘鑰分發設備所依賴的是光電子產業鏈上游，可以借鑒一下光通訊行業里標準化光模塊的演化發展，即光模塊通常是由光芯片、電芯片以及光學子組件（Sub，OSA）構成。以DV-QKD為例，可以將激光器和硅光調制器收納步入光學模組，產生DV-QKD發射模組；將硅光譯碼器和大型化封裝的單光子偵測器收納步入光學模組，產生DV-QKD接收模組。對DPR-QKD和CV-QKD，也是同理。這樣的發展方向，可以充分地激活光電子產業鏈，使硅光芯片研發團隊、三五族芯片研發團隊、光元件封裝研發團隊、光模組研發團隊都發揮最大的能力鍺與量子通訊，迅速增加QKD系統設備的成本。
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offorkey
QIANYi1,HUXiao2,WANGLei1,XIAOXi2
(1.StateKeyofand,ChinaandGroup(CICT),Wuhan,China;2.,Wuhan,China)
:Therapidofhastheuseofkey.Itistostudyarouteforthechipofkey.Thispapertheandofchipsforkey,ontheon-basedandIII-V-based.Thisalsogivesaviewontheformafterkeybythechip.
:QKD;DV-QKD;CV-QKD
本文刊于《信息通訊技術與新政》2021年第7期
承辦：中國信息通訊研究院
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