科學家們悉心設(shè)計了一個扎根于集成光子學的量子秘鑰分配（QKD）系統(tǒng)，容許先前所未有的速率傳輸安全的秘鑰。這種初步的概念驗證實驗是向這些高度安全的通訊技術(shù)的實際布署邁出的重要一步。QKD是一種成熟的技術(shù)，用于創(chuàng)建遠程實體之間受保護通訊的保密秘鑰，借助光的量子屬性來創(chuàng)建安全的隨機秘鑰，那些秘鑰被用于加密和揭秘數(shù)據(jù)。
研究人員開發(fā)了一種基于硅光子學的量子秘鑰分配（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）將一個光子和電子集成電路與一個外部晶閘管激光器結(jié)合上去。資料來源：Sax，日內(nèi)瓦學院
與目前借助估算復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)學學原理之上的。
"研究小組成員、瑞士日內(nèi)瓦學院的Sax說："QKD技術(shù)的一個關(guān)鍵目標是能否簡單地將其整合到現(xiàn)實世界的通訊網(wǎng)路中。實現(xiàn)這一目標的一個重要和必要的步驟是使用集成光子學量子通訊速度，它容許使用制造硅計算機芯片的同樣的半導體技術(shù)來制造光學系統(tǒng)。"
所示的基于氫氧化鋁的QKD接收器由一個光子集成電路和兩個外部單光子偵測器組成。
在出版集團的《光子學研究》雜志上，由日內(nèi)瓦學院的Hugo領(lǐng)導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，但它還不是一項廣泛的技術(shù)量子通訊速度，"薩克斯說。"這項工作證明了技術(shù)的成熟性，并有助于解決圍繞通過光學集成電路實現(xiàn)它的技術(shù)問題，這將容許在網(wǎng)路和其他應(yīng)用中進行整合。"
構(gòu)建一個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)了一個三態(tài)時空的QKD合同，用基于標準光纖的組件進行，以創(chuàng)紀錄的高速率實現(xiàn)QKD傳輸。
"我們在這項新工作中的目標是使用集成光子學實現(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--在施行時須要驗證的部件或在網(wǎng)路中須要排除的故障較少--增強了QKD作為安全通訊技術(shù)的地位。"
QKD系統(tǒng)使用一個發(fā)射器來發(fā)送編碼的光子，一個接收器來測量它們。在這項新工作中，日內(nèi)瓦學院的研究人員與美國柏林的硅光子學公司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，由一個光子集成電路和兩個外部單光子偵測器組成。歐洲巴黎CNR光子學和納米技術(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2.5GHz的創(chuàng)紀錄速率確切地形成和編碼光子。對于接收器，一個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行無源和簡單的測量。用一根標準的多模光纖聯(lián)接這兩個部件，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后，研究人員用它來進行秘密秘鑰交換，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際的施行。她們還使用單光子超導納面條偵測器進行了實驗，這促使量子比特錯誤率低至0.8%。該接收器除了具有偏振光獨立的特性，這在使用集成光子技術(shù)時很復雜，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誤率方面，這種新的實驗形成的結(jié)果與先前使用基于光纖的組件進行的實驗相像。但是，QKD系統(tǒng)比先前的實驗設(shè)置要簡單和實用得多，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)部件安置在一個簡單的機架殼體中，這將使QKD在網(wǎng)路系統(tǒng)中得以施行。
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