用于量子通信的超导硅光子芯片

  ICC讯 集成量子光子学(IQP)是实现可扩展和实用的量子信息处理的有前景的平台。到目前为止，大多数的IQP演示都集中在提高基于体和光纤元件的传统平台的实验稳定性、质量和复杂性。一个更苛刻的问题是：“IQP 是否可以进行传统技术无法实现的实验?”

  这个问题得到了南京大学马晓松和张拉宝和中山大学蔡新伦共同领导的团队的肯定回答。正如《先进光子学》(Advanced Photonics)报道的那样，该研究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间仓贝尔态测量，并显着提高量子通信中的传输速率。

  超导硅芯片用作不受信任的中继服务器，用于安全的量子通信。通过利用波导集成超导单光子探测器(中间带有发夹形状的红线)的独特低死区时间特性，最佳时间仓编码贝尔状态测量(显示为之间的蓝色和灰色波浪状曲线)实现了四个光子，用红球表示)。这些反过来又提高了量子通信的安全密钥率。

  单光子探测器是量子密钥分发 (QKD) 的关键元件，非常适合光子芯片集成以实现实用和可扩展的量子网络。通过利用集成光波导的SNSPD独特的高速特性，与传统的法向入射SNSPD相比，单光子检测的死区时间减少了一个数量级以上。这反过来又使该团队能够解决量子光学中长期存在的挑战之一：时间段编码量子位的最佳贝尔状态测量。

  (a) 实验装置示意图。执行最佳贝尔状态测量的超导硅光子芯片被用作 MDI-QKD 的服务器，这使得 Alice 和 Bob 可以在没有检测器侧信道攻击的情况下交换安全密钥。(b) 当 Alice 和 Bob 发送相同状态(蓝点)或不同状态(红点)时，对巧合计数的破坏性和建设性干扰。(c) 不同损失下的安全密钥率。

  这一进步不仅从基础的角度对量子光学领域很重要，而且从应用的角度对量子通信也很重要。该团队利用异构集成超导硅光子平台的独特优势，实现了独立于测量设备的量子密钥分发(MDI-QKD)服务器。这有效地消除了所有可能的检测器侧信道攻击，从而显着增强了量子密码学的安全性。结合时分复用技术，该方法获得了数量级的MDI-QKD密钥率提升。

  通过利用这种异构集成系统的优势，该团队获得了具有125MHz时钟速率的高安全密钥速率，可与具有GHz时钟速率的最先进的MDI-QKD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，这显着降低了发射器的复杂性，”博士生肖东郑说，他是马氏课题组学生，《先进光子学》(Advanced Photonics)论文第一作者。

  “这项工作表明，集成量子光子芯片不仅提供了小型化的途径，而且与传统平台相比，还显着提升了系统性能。结合集成QKD发射器，一个完全基于芯片的、可扩展的、高密钥率的都市量子网络应该在不久的将来实现。”马说。

  相关链接：https://phys.org/news/2021-11-superconducting-silicon-photonic-chip-quantum.html