中國科大郭光燦團隊實現抗擾動的集成量子密鑰分發系統

量子密鑰分發（QKD）使相距甚遠的雙方通過傳輸遵循量子物理學規律的光子來共享密鑰。QKD的安全基礎是光子計數率和量子比特錯誤率（QBER），而這很大程度上取決於QKD系統的自穩定性。受環境變化所導致的光學元件和信道的偏振擾動將影響系統穩定性，中斷甚至終止QKD程序。

爲改善QKD的自穩定性，中國科學技術大學中科院量子信息重點實驗室郭光燦院士團隊在平面光波電路（PLC）的基礎上，利用混合非對稱Faraday-Michelson干涉儀（AFMI）開發並驗證了time-bin方案的集成光量子編解碼芯片。該團隊基於該芯片搭建了光脈衝重複頻率爲1.25 GHz的QKD系統，並通過優化的分析模型在50公里的光纖通道上獲得了1.34Mbps的平均安全密鑰率（SKR）。量子比特錯誤率（QBER）和SKR在隨機偏振擾動下的穩定變化表明，基於PLC的AFMI可用於開發自穩定的QKD系統。

研究成果以《使用平面光波電路芯片的偏振不敏感的量子密鑰分發》爲題發表在《中國科學信息科學》雜誌上[1]。作者是郭光燦、張國威、陳巍、安俊明和韓正甫等人。

集成光子學的發展促進了QKD的發展。所有平臺中，PLC特別適合於實現QKD系統的光學解碼器，因爲其插入損耗相對較低。然而，由於光纖通道中的雙折射，PLC的內在偏振依賴性仍然可能降低QKD系統的性能。

早在2021年，陳巍團隊提出了一種混合封裝的非對稱Faraday-Michelson干涉儀（AFMI）[2]，由PLC芯片和法拉第旋轉鏡（FM）組成，可以在很寬的溫度範圍內對器件和通道的偏振擾動進行自我補償。然而，這種方法仍然需要一個溫度控制系統來調整和保持干涉儀臂之間的相位差。因此，團隊開發了一個基於上述AFMI結構的QKD解碼器芯片，它可以被動地完成time-bin編碼BB84協議的測量。

基於PLC的解碼器芯片。(a)解碼器的結構，紅色虛線框住的部分是AFMI。(b)解碼器及其封裝的照片。

如上圖所示，硅基PLC芯片的尺寸約爲38.5毫米×24毫米。PLC芯片與調頻器和光纖陣列（FA）相耦合，然後將電極用線粘在印製電路板（PCB）上，一個AFMI和一個外部強度調製器（IM）作爲編碼器，以1.25GHz的時鐘頻率進行time-bin編碼和解擾態調製。

通過利用time-bin方案和AFMI的自穩定性，該芯片在很寬的溫度範圍內具有內在的偏振不敏感度，而且不需要基底的溫度控制器。

實驗設計中採用了BB84協議的time-bin編碼，並採用了單誘騙態法（one-decoy state method）。解碼芯片的結構如下圖所示，它包括兩個級聯定向耦合器（DC）和一對不對稱波導。Alice的PLC芯片的DC1可以用來監測量子光源的光功率，並起到隨機選擇Z或X基單光子的作用，以測量Bob的入射光子。來自DC2的PLC芯片上的兩個分光比爲50:50的臂被耦合到兩個FM上，形成一個AMFI。在兩個臂的每個波導上有兩個熱光學相位調製器（TOPM）來調整相對相位。

實驗裝置。(a)實現QKD的實驗裝置。Laser，激光源；PC，偏振控制器；IM，強度調製器；Amp，射頻放大器；DCM，色散補償模塊；VOA，可變光衰減器；PS，偏振擾頻器；SMF，單模光纖；SPD-X和SPD-Z，X和Z基的單光子探測器；QCRP，量子密碼學研究平臺。(b)QCRP的照片。(c)狀態編碼

實驗系統使用名爲“量子密碼學研究平臺”（QCRP）的模塊化儀器進行控制，該儀器遵循先進電信計算架構擴展用於儀器和測試標準（AXIe）。該平臺的內核是一個基於現場可編程門陣列（FPGA）的控制板。如上圖所示，QCRP包括光源、高速脈衝發生器、可調電流源、高帶寬放大器、單光子探測器和時間數字轉換器（TDC）等模塊，它們通過後面板與內核控制板連接。

研究團隊只使用一個強度調製器（IM）來完成每個量子光脈衝的位基調製和誘導強度調製。IM的高速驅動信號是用一個任意波形發生器（AWG）產生，它被控制並與QCRP的主時鐘同步。集成在QCRP中的單光子雪崩探測器（SPAD）是基於InGaAs/InP負反饋雪崩光電二極管；除此之外，研究團隊還使用了一個門控率爲2.5GHz的SPAD來同時測量QBER和X基的計數率。

根據修改後的分析模型，團隊優化了不同量子信道距離下發射器的主要參數，包括選擇Z和X基的概率、平均光子數，以及信號和誘騙態的選擇概率。QKD實驗在50公里的標準單模光纖（SMF）中完成，損耗約爲0.2dB/km。光脈衝的色散和由於光纖長度變化引起的同步信號移位可以分別用DCM模塊和定時監測反饋環路進行補償。在75公里、100公里和125公里的光纖通道中，用光學可變衰減器評估了系統性能。實驗結果如下所示：

安全密鑰率（每個脈衝）與傳輸距離的函數。黑線表示模擬結果，紅色三角形是使用實際SMF通道的結果，藍色方塊是通過VOA模擬光纖長度的結果。

使用50公里SMF和額外的偏振擾動60分鐘的系統穩定性。(a)SKR和(b)相應的QBERZ和ϕZ作爲時間的函數。

上圖中每個數據點的收集間隔約爲22s，SKR的3-σ偏差約爲平均值的2.9%，而Z基QBER的標準偏差小於0.01%。系統性能在偏振擾動條件下的輕微波動表明，用PLC芯片實現的time-bin QKD系統對偏振不敏感，且內在穩定。

最終，實驗結果證明，基於PLC的AMFI可用於實現內在穩定的QKD系統。未來的研究可以進一步實現更好的性能和兼容性：如降低芯片的插入損耗、在芯片中加入Mach-Zehnder干涉儀等可調單元，或與通用模擬框架相結合。

[1]https://www.sciengine.com/SCIS/doi/10.1007/s11432-022-3514-3

[2]https://www.researching.cn/Articles/OJ3d4f5fcd6577bfb2