科學家們悉心設計了一個扎根于集成光子學的量子秘鑰分配（QKD）系統，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的實際布署邁出的重要一步。QKD是一種成熟的技術，用于創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建安全的隨機秘鑰，那些秘鑰被用于加密和揭秘數據。
研究人員開發了一種基于硅光子學的量子秘鑰分配（QKD）系統，可以先前所未有的速率傳輸安全秘鑰。QKD發射器（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合上去。資料來源：Sax，日內瓦學院
與目前借助估算復雜性來保證安全的通訊合同不同，QKD的安全性是構建在數學學原理之上的。
"研究小組成員、瑞士日內瓦學院的Sax說："QKD技術的一個關鍵目標是能否簡單地將其整合到現實世界的通訊網路中。實現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來制造光學系統。"
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，由日內瓦學院的Hugo領導的研究人員描述了她們新的QKD系統，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。這帶來了許多優勢，如緊湊性、低成本和適于大規模生產。
"雖然QKD可以為建行、衛生和國防等敏感應用提供安全保障，但它還不是一項廣泛的技術量子通訊速度，"薩克斯說。"這項工作證明了技術的成熟性，并有助于解決圍繞通過光學集成電路實現它的技術問題，這將容許在網路和其他應用中進行整合。"
構建一個更快的基于芯片的系統
在先前的工作中，研究人員開發了一個三態時空的QKD合同，用基于標準光纖的組件進行，以創紀錄的高速率實現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同樣的合同，"Sax說。"集成光子系統的緊湊性、穩健性和易操作性--在施行時須要驗證的部件或在網路中須要排除的故障較少--增強了QKD作為安全通訊技術的地位。"
QKD系統使用一個發射器來發送編碼的光子，一個接收器來測量它們。在這項新工作中，日內瓦學院的研究人員與美國柏林的硅光子學公司GmbH和日內瓦的量子網路安全公司ID合作，開發了一種硅光子學發射器，它將光子集成電路與外部晶閘管激光器結合上去。
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的光子集成電路和一組外部檢查器容許對傳輸的光子進行無源和簡單的測量。用一根標準的多模光纖聯接這兩個部件，能夠高速生產密匙。"
低耗損、高速傳輸
在徹底描述了集成發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時很復雜，并且還呈現出極低的耗損，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系統比先前的實驗設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部件安置在一個簡單的機架殼體中，這將使QKD在網路系統中得以施行。
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