科學(xué)家們悉心設(shè)計(jì)了一個(gè)扎根于集成光子學(xué)的量子秘鑰分配（QKD）系統(tǒng)，容許先前所未有的速率傳輸安全的秘鑰。這種初步的概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)是向這些高度安全的通訊技術(shù)的實(shí)際布署邁出的重要一步。QKD是一種成熟的技術(shù)，用于創(chuàng)建遠(yuǎn)程實(shí)體之間受保護(hù)通訊的保密秘鑰，借助光的量子屬性來創(chuàng)建安全的隨機(jī)秘鑰，那些秘鑰被用于加密和揭秘?cái)?shù)據(jù)。
研究人員開發(fā)了一種基于硅光子學(xué)的量子秘鑰分配（QKD）系統(tǒng)，可以先前所未有的速率傳輸安全秘鑰。QKD發(fā)射器（如圖）將一個(gè)光子和電子集成電路與一個(gè)外部晶閘管激光器結(jié)合上去。資料來源：Sax，日內(nèi)瓦學(xué)院
與目前借助估算復(fù)雜性來保證安全的通訊合同不同，QKD的安全性是構(gòu)建在數(shù)學(xué)學(xué)原理之上的。
"研究小組成員、瑞士日內(nèi)瓦學(xué)院的Sax說："QKD技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是能否簡單地將其整合到現(xiàn)實(shí)世界的通訊網(wǎng)路中。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一個(gè)重要和必要的步驟是使用集成光子學(xué)量子通訊速度，它容許使用制造硅計(jì)算機(jī)芯片的同樣的半導(dǎo)體技術(shù)來制造光學(xué)系統(tǒng)。"
所示的基于氫氧化鋁的QKD接收器由一個(gè)光子集成電路和兩個(gè)外部單光子偵測器組成。
在出版集團(tuán)的《光子學(xué)研究》雜志上，由日內(nèi)瓦學(xué)院的Hugo領(lǐng)導(dǎo)的研究人員描述了她們新的QKD系統(tǒng)，其中不僅激光器和偵測器之外所有的部件都集成在芯片上。這帶來了許多優(yōu)勢，如緊湊性、低成本和適于大規(guī)模生產(chǎn)。
"雖然QKD可以為建行、衛(wèi)生和國防等敏感應(yīng)用提供安全保障，但它還不是一項(xiàng)廣泛的技術(shù)量子通訊速度，"薩克斯說。"這項(xiàng)工作證明了技術(shù)的成熟性，并有助于解決圍繞通過光學(xué)集成電路實(shí)現(xiàn)它的技術(shù)問題，這將容許在網(wǎng)路和其他應(yīng)用中進(jìn)行整合。"
構(gòu)建一個(gè)更快的基于芯片的系統(tǒng)
在先前的工作中，研究人員開發(fā)了一個(gè)三態(tài)時(shí)空的QKD合同，用基于標(biāo)準(zhǔn)光纖的組件進(jìn)行，以創(chuàng)紀(jì)錄的高速率實(shí)現(xiàn)QKD傳輸。
"我們在這項(xiàng)新工作中的目標(biāo)是使用集成光子學(xué)實(shí)現(xiàn)同樣的合同，"Sax說。"集成光子系統(tǒng)的緊湊性、穩(wěn)健性和易操作性--在施行時(shí)須要驗(yàn)證的部件或在網(wǎng)路中須要排除的故障較少--增強(qiáng)了QKD作為安全通訊技術(shù)的地位。"
QKD系統(tǒng)使用一個(gè)發(fā)射器來發(fā)送編碼的光子，一個(gè)接收器來測量它們。在這項(xiàng)新工作中，日內(nèi)瓦學(xué)院的研究人員與美國柏林的硅光子學(xué)公司GmbH和日內(nèi)瓦的量子網(wǎng)路安全公司ID合作，開發(fā)了一種硅光子學(xué)發(fā)射器，它將光子集成電路與外部晶閘管激光器結(jié)合上去。
QKD接收器由氫氧化鋁制成，由一個(gè)光子集成電路和兩個(gè)外部單光子偵測器組成。歐洲巴黎CNR光子學(xué)和納米技術(shù)研究所的小組使用皮秒激光微加工來制造接收器。
Sax說："對于發(fā)射器，使用帶有光子和電子集成電路的外部激光器使其有可能以高達(dá)2.5GHz的創(chuàng)紀(jì)錄速率確切地形成和編碼光子。對于接收器，一個(gè)低耗損和偏振光無關(guān)的光子集成電路和一組外部檢查器容許對傳輸?shù)墓庾舆M(jìn)行無源和簡單的測量。用一根標(biāo)準(zhǔn)的多模光纖聯(lián)接這兩個(gè)部件，能夠高速生產(chǎn)密匙。"
低耗損、高速傳輸
在徹底描述了集成發(fā)射器和接收器的特點(diǎn)后，研究人員用它來進(jìn)行秘密秘鑰交換，使用不同的模擬光纖距離，并使用150公里長的多模光纖和單光子雪崩光電三極管，那些都十分適宜于實(shí)際的施行。她們還使用單光子超導(dǎo)納面條偵測器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，這促使量子比特錯(cuò)誤率低至0.8%。該接收器除了具有偏振光獨(dú)立的特性，這在使用集成光子技術(shù)時(shí)很復(fù)雜，并且還呈現(xiàn)出極低的耗損，約為3dB。
SAX說："在秘密秘鑰率的形成和量子比特錯(cuò)誤率方面，這種新的實(shí)驗(yàn)形成的結(jié)果與先前使用基于光纖的組件進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)相像。但是，QKD系統(tǒng)比先前的實(shí)驗(yàn)設(shè)置要簡單和實(shí)用得多，因而顯示了用集成電路使用這些合同的可行性。"
研究人員如今正在努力將系統(tǒng)部件安置在一個(gè)簡單的機(jī)架殼體中，這將使QKD在網(wǎng)路系統(tǒng)中得以施行。
來自：