用于量子通信的超导硅光子芯片

采用超导硅片作为不可信的中继服务器，实现安全的量子通信。利用波导集成超导单光子探测器(中间有发夹形状的红色导线)特有的低死区时间特性，实现了最佳时bin编码贝尔态测量(四个光子之间呈蓝色和灰色波状曲线，用红球表示)。这反过来又提高了量子通信的安全密钥率。资料来源:南京大学

集成量子光子学(IQP)是实现可扩展的、实用的量子信息处理的一个很有前途的平台。到目前为止，IQP的大多数演示都集中在提高基于体积和光纤元件的传统平台实验的稳定性、质量和复杂性上。一个更苛刻的问题是:“在IQP中是否存在传统技术无法实现的实验?”

这个问题得到了由南京大学的马晓松、张拉宝和中山大学的蔡新伦共同领导的团队的肯定回答。据《Advanced Photonics》报道，该团队使用基于硅光子学的芯片和超导纳米线单光子探测器(SNSPD)实现了量子通信。该芯片的优异性能使他们能够实现最佳时bin Bell态测量，并显著提高量子通信中的密钥率。

单光子探测器是量子密钥分配(QKD)的关键元件，是实现实用和可扩展量子网络的光子芯片集成的理想器件。通过利用光波导集成SNSPD独特的高速特性，单光子探测的死区时间比传统的正入射SNSPD减少了一个数量级以上。这使得该团队能够解决量子光学中一个长期存在的挑战:时间bin编码量子位元的最佳贝尔态测量。

(a)实验装置示意图。MDI-QKD的服务器使用超导硅光子芯片进行最佳贝尔态测量，该芯片允许Alice和Bob在不受探测器侧通道攻击的情况下交换安全密钥。(b)当Alice和Bob发送相同的状态(蓝点)或不同的状态(红点)时，重合中的破坏性和建设性干涉计数。(c)不同损失下的安全关键利率。资料来源:郑等，doi: 10.1117/1.AP.3.5.055002。

这一进展不仅对量子光学的基础研究具有重要意义，而且对量子通信的应用也具有重要意义。该团队利用非均匀集成的超导硅光子平台的独特优势，实现了测量设备无关的量子密钥分配服务器(MDI-QKD)。这有效地消除了所有可能的检测器侧通道攻击，从而大大提高了量子密码的安全性。结合时间复用技术，该方法获得了一个数量级的MDI-QKD密钥速率的增加。

通过利用这种异构集成系统的优势，该团队在125mhz时钟速率下获得了高安全密钥率，这可以与目前最先进的MDI-QKD在GHz时钟速率下的实验结果相媲美。“与GHz时钟速率MDI-QKD实验相比，我们的系统不需要复杂的注入锁定技术，这大大降低了发射机的复杂性，”马博士团队的博士生郑晓东说，他是《先进光子学》论文的第一作者。

“这项工作表明，集成量子光子芯片不仅提供了一条小型化的道路，而且与传统平台相比，还显著提高了系统性能。结合集成的QKD发射器，一个完全基于芯片的、可扩展的、高关键速率的城域量子网络应该在不久的将来实现。”马说。