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2023年学术进展系列之09:量子信息团队在硅基集成芯片量子密钥分发系统研制方面取得重要进展
2023-02-21 10:47  

近期【中国】有限公司官网量子信息与量子通信团队与国家信息光电子创新中心合作,硅基集成芯片量子密钥分发系统研制上取得重要进展,研究论文用于偏振编码量子密钥分发的硅基解码器(Silicon-based decoder for polarization-encoding quantum key distribution) 被《Chip》杂志接收发表。

Chip》是全球唯一聚焦芯片类研究的综合性国际期刊,已入选由中国科协、教育部、科技部、中科院等单位联合实施的「中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目」,为科技部鼓励发表「三类高质量论文」期刊之一。该期刊关注变革性信息技术芯片相关的基础与应用研究的原创成果,致力于促进信息科学内的多科学协同发展和创新。预计三年平均IF>10

量子密钥分发(Quantum Key DistributionQKD的安全性基于量子力学的基本定律,已成为信息时代保障信息无条件安全的关键解决方案。随着第一个QKD协议被提出以来,QKD在理论和实验研究上都不断取得了新进展。当前,利用硅基光电集成技术发展一套稳定、简单、低成本和小型化的QKD系统是推动该技术实用化和商业化的关键。其中,偏振编码的方案在基于光纤和自由空间信道的QKD系统中得到了广泛应用。然而,由于利用硅基光电集成技术很难实现偏振转换,导致之前的芯片化系统一般利用光纤光学器件解码偏振态,或利用芯片外的额外器件进行偏振的跟踪和补偿。因此,如何实现偏振解码器的完全集成一直是偏振编码QKD全系统集成的难点。

本研究中,我们在标准的硅光子技术平台上使用偏振转路径的方法设计并实现了一种用于偏振编码QKD的完全集成的偏振解码器芯片(如图1所示)。同时,我们搭建了一个测试平台用来测试该芯片的性能(如图2所示)。在实验稳定性测试中,在无任何偏振反馈的情况下该芯片连续工作10小时,平均量子比特误码率(QBER)0.59% (如图3 (a)所示);此外,我们利用发展的反馈算法实现了光纤偏振漂移的自动补偿(如图3 (b)所示);最后,我们在100 km的光纤链路上获得了240 bps的安全密钥率(如图3 (c)所示)。这些结果证明了在没有片外偏振控制器的情况下实现偏振解码器芯片的可行性,是QKD系统向集成化、实用化和大规模部署迈出的重要一步。

 

 

1: (a) 硅基解码器芯片示意图。所有器件都在标准硅光子技术平台上制造。

(b) 解码器芯片的显微图像芯片尺寸为1.6×1.7 cm2

(c) 解码器芯片的实物图。封装体积为3.95×2.19×0.90 cm3

 

 

2: 硅基集成QKD系统实验装置示意图

Alice端:Laser:激光器,Pol-Encoder: 偏振编码芯片,VOA:可变光衰减器;Bob端:Pol-Decoder: 偏振解码芯片,SPD:单光子探测器,TDC:时间数字转换器。AliceBob通过光纤链路连接。

 

 

3: (a) 解码器在10小时内实现的QBER稳定性测试。红色的点代表平均QBER

(b) 偏振补偿系统180分钟测试结果(光纤扰偏器在20-30分钟内的任意时间间隔进行一次随机扰偏)。红色实线表示系统的平均QBER,绿色(蓝色)表示Z (X)基矢的QBER

(c) 不同光纤距离下的安全密钥率。红色五角星表示在实际距离下的实验结果,蓝色实线表示基于实验参数的理论模拟结果。

该工作获得国家自然科学基金重点项目、面上项目及广西相对论天体物理重点实验室开放课题等项目资助。

论文作者:杜永强(博士生)、朱洵国家信息光电子创新中心)、华昕国家信息光电子创新中心)、赵震庚(硕士生)胡晓国家信息光电子创新中心)、钱懿国家信息光电子创新中心)、肖希国家信息光电子创新中心韦克金通信作者

Early Posting 链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2709472323000023

 

 

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