作者簡介
錢懿
中國信息通訊科技集團光纖通訊技術(shù)和網(wǎng)路國家重點實驗室光量子技術(shù)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(tǒng)構(gòu)架設(shè)計工作。
胡曉
國家信息光電子創(chuàng)新中心中級工程師，博士，主要從事硅基異質(zhì)集成調(diào)制器、鍺硅偵測器、鍺硅雪崩光電偵測器以及量子秘鑰分發(fā)調(diào)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(shù)和網(wǎng)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(chǎn)業(yè)化工作。
肖希
國家信息光電子創(chuàng)新中心總總監(jiān)，博士，主要從事硅基光電子集成和高速光調(diào)制技術(shù)研究工作，重點舉辦面向光通訊應(yīng)用的高速硅光芯片和元件產(chǎn)品的研發(fā)工作。
論文引用格式：
錢懿,胡曉,王磊,等.量子秘鑰分發(fā)集成光學(xué)芯片技術(shù)進展[J].信息通訊技術(shù)與新政,2021,47(7):32-38.
量子秘鑰分發(fā)集成光學(xué)芯片技術(shù)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(shù)和網(wǎng)路國家重點實驗室，上海；2.國家信息光電子創(chuàng)新中心，北京）
摘要：集成光學(xué)芯片技術(shù)的快速發(fā)展，對量子秘鑰分發(fā)設(shè)備的商用起到了推動作用，因此有必要研究一種務(wù)實的量子秘鑰分發(fā)所用的芯片元件發(fā)展路徑。剖析了用量子秘鑰分發(fā)的集成光學(xué)芯片的學(xué)術(shù)界和工業(yè)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(guān)研究進展，并對量子秘鑰分發(fā)被集成光學(xué)芯片技術(shù)賦能后的產(chǎn)品形態(tài)給出了觀點。
關(guān)鍵詞：量子秘鑰分發(fā)；離散變量；連續(xù)變量
中圖分類號：O413；TN918文獻標(biāo)示碼：A
引用格式：錢懿,胡曉,王磊,等.量子秘鑰分發(fā)集成光學(xué)芯片技術(shù)進展[J].信息通訊技術(shù)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(fā)（Key，QKD）從1984年誕生至今，早已發(fā)展了37年。其依賴的光電子產(chǎn)業(yè)鏈上游，正經(jīng)歷著光子集成回路（，PIC）技術(shù)的迅猛發(fā)展，因而對量子秘鑰分發(fā)設(shè)備的低成本商用起到了一定的推動作用。量子秘鑰分發(fā)產(chǎn)品的發(fā)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(wù)實值得業(yè)界思索。
1量子秘鑰分發(fā)的背景
量子秘鑰分發(fā)的概念是由科學(xué)家H.和在1984年提出[1]，即在量子熱學(xué)所描述的二維希爾伯特空間中，構(gòu)造出兩組不正交的基（Basis），在每位基內(nèi)定義bit0和bit1，進行隨機數(shù)的制備、傳輸、探測（見圖1）。該方式后被業(yè)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(tǒng)，發(fā)端須要制備布洛赫（Bloch）球面上所對應(yīng)的起碼兩個基所包含的量子態(tài)，比如Z基的量子態(tài)和X基的量子態(tài)（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(jié)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(jié)果是有限個數(shù)的風(fēng)波組合，也被稱為離散變量量子秘鑰分發(fā)（-Key，DV-QKD）。以后，別的種類的量子秘鑰分發(fā)合同，也陸續(xù)被提出，比如基于光場的正則份量的連續(xù)變量量子秘鑰分發(fā)（-Key，CV-QKD），基于相鄰光脈沖相位關(guān)系的分布式相位參考量子秘鑰分發(fā)（-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(tài)在Bloch球上的表示
隨著QKD技術(shù)從實驗室邁向商用化設(shè)備的發(fā)展，世界范圍內(nèi)各個國家也出現(xiàn)了QKD實驗網(wǎng)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(jié)點城市內(nèi)的QKD城域網(wǎng)路[4]。關(guān)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(jié)點的QKD網(wǎng)路的出現(xiàn)，以及在核心站點內(nèi)布署多套QKD設(shè)備作為擴容和主備的需求，則展現(xiàn)了當(dāng)前商用QKD設(shè)備的容積和成本問題（見圖3）。于是，QKD設(shè)備大型化、低成本化的訴求也驟然出現(xiàn)。
圖3滬寧干線QKD設(shè)備的容積和占用機柜的空間[4]
2傳統(tǒng)大容積分立元件的QKD典型方案
2.1偏振光態(tài)編碼BB84合同QKD
在QKD系統(tǒng)發(fā)端須要的核心能力包括：相位隨機化脈沖光源、強度調(diào)制單元、偏振調(diào)制單元；在QKD系統(tǒng)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(tǒng)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(xué)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(tǒng)實現(xiàn)方法對比
2.2時間—相位編碼BB84合同QKD
對于使用了引誘態(tài)方式的時間—相位編碼BB84合同QKD系統(tǒng)，在發(fā)端須要具備的核心能力有：相位隨機化的脈沖光源、強度調(diào)制器、一個附送了相位調(diào)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(fā)端匹配的AMZI、單光子偵測器（門控式或則自由運轉(zhuǎn)式）。其中，核心元部件AMZI以分立元件來實現(xiàn)的形態(tài)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(tǒng)就采用了這些方案，其所研發(fā)的AMZI具備了低耗損的特性，缺點是規(guī)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，F(xiàn)S）。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(dǎo)（，PLC）技術(shù)，其所構(gòu)成的時間—相位編碼BB84合同QKD系統(tǒng)，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(dǎo)技術(shù)，未能實現(xiàn)快速的相位調(diào)制能力，通常多用于功率分配、波分復(fù)用、延時線等場景，加上PLC-AMZI還須要良好的控溫技術(shù)來確保相位的穩(wěn)定性，該技術(shù)面對QKD中復(fù)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(dǎo)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(tǒng)如文獻[7]和圖6所述，須要在發(fā)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(fù)用，促使該系統(tǒng)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(diào)制器級聯(lián)形成脈沖，量子訊號調(diào)制還須要利用1只載流子硬度調(diào)制器和1只載流子相位調(diào)制器級聯(lián)來實現(xiàn)。其實該類系統(tǒng)相較于DV-QKD系統(tǒng)，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(fù)雜性和體塊式載流子調(diào)制器本身的成本，造成隨路本振型CV-QKD系統(tǒng)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(xué)芯片研究進展
3.1基于偏振光編碼的BB84合同QKD集成光學(xué)芯片研究進展
偏振光態(tài)的調(diào)制，可以從偏振光模式的調(diào)控入手來實現(xiàn)，通常任意偏振光態(tài)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(jié)構(gòu)調(diào)制器，被用作實現(xiàn)兩個輸出端口的光功率分配，以實現(xiàn)TE模式和TM模式的功率差，之后通過相位調(diào)制器和二維光柵（甚或是偏振光合成旋轉(zhuǎn)）結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)90°輸出，因而可以合成任意的偏振光態(tài)。該構(gòu)架的硅光芯片早已被多個工作組研發(fā)實現(xiàn)，比如英國倫敦學(xué)院[8]、英國曼徹斯特學(xué)院[9]、美國桑迪亞國家實驗室[10]、美國麻省理工大學(xué)[11]。該硅基偏振光調(diào)制器通過等離子色散效應(yīng)的電光調(diào)制器，可以實現(xiàn)1GHz以上調(diào)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(yīng)用。在我國，由國家信息光電子創(chuàng)新中心研發(fā)的基于離子色散效應(yīng)調(diào)制結(jié)構(gòu)的硅光偏振光態(tài)調(diào)制器，也達到了上述幾個單位所研發(fā)芯片的等同性能。
應(yīng)用了1.25GHz高速硅光偏振光調(diào)制器的檢測設(shè)備無關(guān)QKD系統(tǒng)鏈路實驗，在文獻[12]中也被報道，該工作由中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院徐飛虎課題組完成，如圖7所示，該實驗系統(tǒng)，在發(fā)端應(yīng)用了硅光偏振光調(diào)制器，該調(diào)制器芯片封裝后的元件長寬規(guī)格僅和一枚一元人民幣硬幣相當(dāng)；在實驗系統(tǒng)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(dǎo)單光子偵測器）搭建的偏振光態(tài)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(yīng)用了硅光偏振光調(diào)制器的檢測設(shè)備無關(guān)QKD系統(tǒng)實驗[12]
3.2基于時間—相位編碼方法QKD的集成光學(xué)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(xué)院磷化銦（，InP）平臺上的集成QKD發(fā)射器，包含激光器、脈沖調(diào)制器、相位隨機化調(diào)制器、時間—相位態(tài)調(diào)制器，可以靈活地調(diào)制BB84、COW、DPS合同所對應(yīng)的量子態(tài)。對應(yīng)的接收機，則設(shè)計成利用氮氧化硅材料的可調(diào)節(jié)延時AMZI結(jié)構(gòu)，可以對應(yīng)地解碼BB84、COW、DPS合同的量子態(tài)，最后采用超導(dǎo)單光子偵測器進行偵測。
在文獻[14]中，海思半導(dǎo)體介紹了硅光時間—相位調(diào)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(jié)構(gòu)，去不僅高耗損的電光調(diào)制器，并討論了氣溫變化引起的AMZI相位甩尾以及對應(yīng)的補償算法，系統(tǒng)的激光器、偏振控制器、超導(dǎo)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(xué)院的隨路本振CV-QKD硅光芯片實驗，該芯片的特征是在發(fā)射端將量子訊號調(diào)制在頻度邊帶，致使訊號和本振的自由度復(fù)用只須要偏振光自由度復(fù)用即可，無需額外的時間自由度復(fù)用,即無需降低芯片內(nèi)的延時線，簡化了芯片的設(shè)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(cè)芯片仍需內(nèi)置的單光子偵測器，集成度有一定優(yōu)勢。受限于CV-QKD自身的安全性模型限制，該實驗的系統(tǒng)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(xué)芯片元件，還有熱學(xué)芯片，CV-QKD因為須要數(shù)字訊號處理（，DSP），在熱學(xué)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(tǒng)的未來趨勢剖析
基于第3章的描述可以發(fā)覺，業(yè)內(nèi)在DV-QKD領(lǐng)域最熱點的研究是基于硅光芯片的偏振光態(tài)調(diào)制器技術(shù)，應(yīng)用于偏振光BB84合同QKD的發(fā)射端或則檢測設(shè)備無關(guān)QKD的發(fā)射端，這其中包含了單模干涉儀、熱光調(diào)制器、電光調(diào)制器、二維光柵、偏振旋轉(zhuǎn)耦合器等一系列無源和有源元件的結(jié)合，技術(shù)門檻較高，而剛好又能發(fā)揮硅光在無源元件和有源元件上豐富的元件庫以及大規(guī)模集成能力，惟一美中不足的是硅材料平臺異質(zhì)集成激光器目前還處于前沿研究階段。而基于時間—相位調(diào)制方法的DV-QKD關(guān)鍵集成光學(xué)芯片，以及CV-QKD的關(guān)鍵集成光學(xué)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(guān)鍵芯片方面，較少的單位在研發(fā)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(xué)院的工作[13]。對于QKD的接收端的關(guān)鍵芯片，目前業(yè)內(nèi)出現(xiàn)的研究尚少，比如文獻[10]中提及的偏振光態(tài)譯碼硅光芯片。面對DV-QKD的應(yīng)用需求，業(yè)內(nèi)也出現(xiàn)了大型化集成制熱封裝的單光子偵測器產(chǎn)品（比如上海光迅科技的相關(guān)產(chǎn)品），即使不是大規(guī)模集成芯片式的產(chǎn)品，但在減少Q(mào)KD設(shè)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(xué)芯片和元件在未來QKD系統(tǒng)中的發(fā)展趨勢做了總結(jié)歸納。
表2幾類QKD集成光學(xué)芯片和元件的未來發(fā)展趨勢
5結(jié)束語
量子秘鑰分發(fā)設(shè)備所依賴的是光電子產(chǎn)業(yè)鏈上游，可以借鑒一下光通訊行業(yè)里標(biāo)準(zhǔn)化光模塊的演化發(fā)展，即光模塊通常是由光芯片、電芯片以及光學(xué)子組件（Sub，OSA）構(gòu)成。以DV-QKD為例，可以將激光器和硅光調(diào)制器收納步入光學(xué)模組，產(chǎn)生DV-QKD發(fā)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(xué)模組，產(chǎn)生DV-QKD接收模組。對DPR-QKD和CV-QKD，也是同理。這樣的發(fā)展方向，可以充分地激活光電子產(chǎn)業(yè)鏈，使硅光芯片研發(fā)團隊、三五族芯片研發(fā)團隊、光元件封裝研發(fā)團隊、光模組研發(fā)團隊都發(fā)揮最大的能力鍺與量子通訊，迅速增加QKD系統(tǒng)設(shè)備的成本。
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offorkey
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(1.StateKeyofand,ChinaandGroup(CICT),Wuhan,China;2.,Wuhan,China)
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:QKD;DV-QKD;CV-QKD
本文刊于《信息通訊技術(shù)與新政》2021年第7期
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