将量子密钥分配技术压缩到半导体芯片上

图1:东芝剑桥研究实验室正在测试的QKD芯片图2:原型光集成电路和基于芯片的量子密码通信系统(上排，从左起:量子发送芯片、量子接收芯片、量子随机数产生芯片。最底层:基于芯片的量子密码通信系统)。来源:东芝公司

东芝欧洲公司今天宣布，他们已经开发出世界上第一个基于芯片的量子密钥分配(QKD)系统。这一进步将使量子安全技术的大规模制造成为可能，将其应用于更广泛的场景，包括物联网(IoT)解决方案。

QKD解决了对密码学的需求，这种需求将保持安全，免受未来超级计算机的攻击。特别是，大规模量子计算机将能够有效地解决复杂的数学问题，而这些问题是公钥密码术的基础，如今公钥密码术被广泛用于安全通信和电子商务。相比之下，用于量子密码学的协议可以从第一原则证明是安全的，不会受到量子计算机或未来任何计算机的攻击。

到2035财年，QKD市场预计将增长到约200亿美元。欧洲和东南亚目前正在建设大型量子安全光纤网络，并计划发射卫星将网络扩展到全球范围。2020年10月，东芝发布了两款基于光纤的QKD产品，这两款产品基于分立光学元件。东芝与项目合作伙伴一起，在英国、欧洲、美国和日本实施了量子安全地铁网络和长距离光纤骨干链路。

制造业的进步

为了让量子密码学变得像我们今天使用的算法密码学一样无处不在，重要的是体积、重量和功耗要进一步降低。对于将QKD和量子随机数生成器(QRNG)扩展到新的领域，如与客户的最后一英里连接或物联网，尤其如此。基于芯片的解决方案的开发对于实现大众市场应用至关重要，而大众市场应用将是实现量子经济的组成部分。

东芝公司开发了一种技术，可以将用于QKD和QRNG的光学电路压缩成微型半导体芯片。它们不仅比光纤更小、更轻，而且耗电更少。最重要的是，许多芯片可以使用半导体行业的标准技术在同一半导体晶圆上并行制造，这使得它们可以大量制造。例如，东芝开发的量子发射器芯片只有2x6mm，允许在一个晶圆上同时生产数百个芯片。

东芝欧洲量子技术负责人Andrew Shields表示:“光子集成技术将使我们能够以高度可重复的方式批量生产量子安全设备。它将以更小的尺寸生产量子产品，并随后允许在电信和数据通信网络的更大部分中推出QKD。”

基于芯片的量子密码通信系统概述。来源:东芝公司

东芝公司高级副总裁兼首席数字官Taro Shimada表示:“东芝在英国投资量子技术研发已经超过20年了。这一最新进展是非常重要的，因为它将允许我们制造和交付更大的数量QKD。我们的愿景是建立一个基于无处不在的量子安全设备的量子安全通信平台，这是一个重要的里程碑。”

这项进展的细节发表在《自然光子学》杂志上。

技术总结

QKD系统通常包括一个复杂的光纤电路，集成了分立元件，如激光器、电光调制器、分束器和光纤耦合器。由于这些元件相对笨重且价格昂贵，所以这项工作的目的是开发一种量子密钥分配系统，在该系统中，光纤电路和设备被写入毫米级半导体芯片。

东芝已经开发了首个完整的QKD原型，其中部署了不同功能的量子光子芯片。用于制备和测量量子位元的随机比特由量子随机数产生芯片(QRNG)产生，并通过现场可编程门阵列(fpga)实时转换为基于芯片的QKD发射器(QTx)和接收器(QRx)的高速调制模式。光子检测使用快速门控单光子探测器。筛选、光子统计评估、时间同步和相位稳定通过FPGA核心之间10gb /s的光链路来完成，使其能够在较长时间内自主运行。作为演示的一部分，芯片QKD系统与一个商业加密器接口，允许以高达100gb /s的比特率进行安全的数据传输。

为了促进与传统通信基础设施的集成，QKD单元被组装在紧凑的1U机架盒中。QRx和QTx芯片封装在c形因子可插2 (CFP2)模块中，这是相干光通信中广泛使用的形因子，以确保系统与连续的QKD芯片一代的向前兼容性，使其易于升级。公共通信通道使用现成的10gb /s small-form-factor pluggable (SFP)模块。

《自然·光子学》杂志上描述芯片级QKD系统的论文的主要作者陶菲克·帕莱索(Taofiq Paraiso)说:“我们正在见证光子集成电路的一场类似于电子电路的革命。”PICs正不断为越来越多的应用提供服务。当然，量子pic的要求比传统应用更严格，但这项工作表明，一个完全可部署的基于芯片的QKD系统现在是可以实现的，这标志着量子技术的一个重要挑战的结束。这为紧凑、即插即用的量子设备的部署打开了广阔的前景，必将对我们的社会产生强烈的影响。”