南京大学在量子通讯芯片的研发与应用上取得重要进展

为了实现安全的量子通信，基于超导硅芯片的中继服务器，也是不可或缺的一环。比如通过利用波导集成超导单光子探测器的独特低死区时间特性，反之又可提升量子通讯的安全密钥速率。好消息是，由南京大学物理学院马小松、祝世宁带领的一支研究团队，于早些时候首次利用超导-硅基咋花芯片，实现了与测量设备无关的量子密钥分发（MDI-QKD）系统。

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基于超导-硅基咋花芯片的量子通信服务器概念图（来自：南京大学）

长期以来，研究人员一直想要攻克量子光学领域的一个挑战 —— 即时间仓编码量子比特的最佳贝尔状态测量 —— 以提升安全量子通信的关键速率。

集成量子光子学（IQP）是实现可扩展与实用型量子信息处理的一个有前途平台。但到目前为止。IQP 的大多数演示，都集中在提升传统平台的实验稳定性、质量和复杂性上。

实验装置示意图（via SCI Tech Daily）

然而研究人员面临的一个更苛刻的问题，就是 IQP 能否开展传统技术无法进行的实验？

好消息是，这个问题得到了南京大学马小松、祝世宁团队，联合电子科学与工程学院张蜡宝、吴培亨团队，以及中山大学电子与信息工程学院蔡鑫伦团队的肯定回答。

研究配图 - 1：时间多路复用 / 星形 MDI-QKD 网络原理图

正如《先进光子学》（Advanced Photonics）期刊报道的那样，该团队借助基于硅的光子学芯片 + 超导纳米线单光子探测器（SNSPD）实现了量子通信。

得益于该芯片优异的特性，研究人员能够实现最佳的时间仓贝尔态测量，从而显著提升量子通信的关键速率。

研究配图 - 2：采用连续波激光器作为 LS，并利用编码器模块来调制密钥光脉冲。

作为量子密钥分发（QKD）的关键元件，它很适合通过高度集成，以达成实用可可扩展的量子网络。

而通过利用集成光波导的 SNSPD 独特的高速特性，与传统的法向入射方案相比，新技术的单光子检测死区时间被减少了至少一个数量级，同时做到了时间仓编码量子比特的最佳贝尔状态测量。

研究配图 - 3：BSM / QBER 的最优实验结果。

撇开光学基础研究领域不谈，从应用角度来说，这项研究进展对量子通信也至关重要。该团队利用了异构集成超导硅光子平台的独特优势，做到了独立于测量设备的 MDI-QKD 量子密钥分发服务。

研究配图 - 4：通过时间多路复用来提升密钥速率

更重要的是，此举有效地消除了所有潜在的监测器侧信道攻击，从而显著增强了量子密码学的安全性。结合时分复用技术，研究人员将 MDI-QKD 密钥速率提升了一个数量级。

研究配图 - 5：不同损耗情况下的密钥速率（含芯片插入损耗）

结合这种异构集成系统的优势，该团队最终达成了具有 125 MHz 时钟速率的高安全密钥速率，且效力上可与 GHz 级别的最先进 MDI-QKD 实验相媲美。

研究一作、来自马小松课题组的南京大学物理学院博士生郑晓冬表示，他们的系统无需复杂的注入锁定，因而显著降低了发射机的复杂性。

此外这项工作表明，集成量子光子芯片不仅提供一种小型化途径，还具有较传统平台更显著的系统性能提升。

展望未来，我们或很快见到基于集成式 QKD 发射器实现的完全基于芯片、可扩展、高密钥速率的城域量子网络。

关键词： 80