作者:Leong Chuan Kwek 来源:《光:科学与应用》 发布时间:2023/9/27 15:54:22
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用于量子通信和互联网的光量子芯片

 

近年来,新兴的光量子芯片在量子通信和量子互联网领域取得了重大进展。光量子芯片芯片具有可扩展、稳定和低成本等特点,为微型化应用开辟了新的可能性。

7月14日,一篇发表在《light: science & applications》的文章概述了用于量子通信的光量子芯片进展。这篇综述对实现基于芯片的高性能量子通信所面临的挑战进行了总结,并对集成量子网络的未来机遇进行了展望。

/目录/

一、光量子芯片,新一代量子技术的理想平台
二、光量子芯片的关键技术

2.1. 量子光源
2.2. 可重构光量子元件
2.3. 单光子探测器 (SPD) 和零差探测器
2.4. 芯片封装及系统集成
三、量子安全通信系统
3.1. 量子随机数发生器(QRNG)
3.2. DV-QKD 系统
3.3. CV-QKD 系统
四、纠缠分发和量子隐形传态
五、光子集成促进量子通信的实际应用

量子通信将量子力学原理应用于量子信息传输,从根本上改善了安全、计算、传感和计量学。这一领域囊括了从最先进的实验室实验到商业现实的各种技术和应用。

最著名的例子就是量子密钥分发(QKD)。QKD 的基本思想是利用光子的量子态在遥远的双方之间共享密钥。量子不可克隆性定理赋予了通信双方探测任何试图获取密钥的窃听者的能力。由于这里的安全性基于量子物理定律而非计算复杂性,QKD 被认为是应对新兴量子计算硬件和算法所带来威胁的理想解决方案。

尽管围绕其实际安全性存在争议,但 QKD 正在引领现实世界的应用。例如,基于光纤和卫星到地面的 QKD 实验分别在 800 千米的超低损耗光纤和 2000 千米的自由空间中进行了演示。单信道的最大安全密钥传输速率已超过 110 Mbit/s。欧洲、日本、中国、英国等国已经建立了多个实地测试 QKD 网络。此外,为了克服目前的技术限制,人们对实用 QKD 系统的安全性进行了深入研究。后量子加密技术与 QKD 相结合,实现了认证的短期安全和密钥的长期安全。

除 QKD 外,量子隐形传态也引起了广泛关注,它利用量子纠缠以有效不可破解的方式传输脆弱的量子信息。在此基础上,量子网络可以连接各种量子设备,从而实现无与伦比的功能,而这些功能仅使用经典信息技术是无法实现的。量子安全直接通信(Quantum secure direct communication,QSDC)是量子通信的另一个重要分支,也为安全数据传输提供了机会。这项技术近年来发展迅速,使用户无需共享加密密钥就能通过安全量子信道直接传输机密信息。例如,一个拥有 15 个客户端的 QSDC 网络已经得到验证。结合后量子加密技术,可利用现有技术构建端到端安全的 QSDC 网络。

传统量子通信系统通常使用分立光学器件构建。一般来说,这些器件分别由光学玻璃(如熔融石英和二氧化硅)和光学晶体(如方解石、β 硼酸钡和铌酸锂)组装而成,并通过自由空间或光纤连接。虽然对单个元件进行优化以满足量子信息应用中的超低损耗、高效率、高速度和高保真等严格要求非常方便,但互连和封装一直是传统分立光学设计在可靠性和成本方面面临的重大挑战——尤其是在处理连接数十万用户的大规模网络时。

例如,需要较高的机械稳定性和热稳定性,以减轻因环境压力和温度变化而导致的空间和相位偏差,而这在复杂的分立光学系统中很难通过全局稳定来实现。因此,目前由分立光学元件组成的笨重系统可能难以满足对更大容量传输能力日益增长的需求,这就体现了芯片级量子通信系统的巨大优势。

光量子芯片是新一代量子技术的理想平台。与分立光学系统相比,光量子芯片除了微型化外,还有两个突出优势:即可扩展性和稳定性。可扩展性的实现是因为芯片及其所有组件都是通过光刻技术打印出来的,而不是一个组件一个组件地制造出来。由于电路建立在坚固紧凑的固态平台上,可以最大限度地减少振动或温度变化造成的偏差,因此实现了稳定性。这两个优势对于实现量子信息处理和高效量子通信所需的集成度和性能水平至关重要。此外,光量子芯片具有低成本生产的巨大潜力。虽然制造所需光罩的初始成本较高,但通过大规模生产,每个芯片的平均成本可以大大降低。

经过几十年的努力,光子集成已在单个量子通信系统的各个方面实现,包括光子源、编码和解码光子电路以及探测器。原则上,集成光子芯片可结合量子通信应用所需的许多理想特性,如效率、成本效益、可扩展性、灵活性和性能。这些特性以及晶圆级制造工艺,使基于芯片的量子通信系统成为未来量子技术的一个引人注目的平台。

集成量子通信的三个方面:用于大规模集成的光子材料平台;量子光子元件,如量子光源、高速调制器和高效光电探测器;以及在 QKD和量子隐形传态中的典型应用。

用于量子通信的光量子芯片的进展时间表。关键里程碑包括首次演示用于量子加密的片上量子干涉仪、光子芯片上的量子隐形传态、基于芯片的 DV-QKD、CV-QKD和 MDI-QKD 和芯片到芯片的量子隐形传态。

单片集成光子平台的最新技术规格

1)量子光源

能产生指定量子态光的光子源是量子光学系统的关键要素。一般来说,量子通信网络结构需要单光子态和纠缠光子态 ,它们可以通过单光子发射器确定性地获得,也可以通过参数非线性过程概率性地获得。

量子点凭借其发射特性的确定性,被认为是按需产生单光子或纠缠光子对的最有前途的候选器件之一。特别是,它们体积小、与半导体技术兼容,因此非常适合芯片集成。在单光子发生方面,单个 InAs/GaAs 自组装 QD和 InGaAs QD 的纯度、萃取效率和光子不可分性分别达到 99.1%、66%、98.5% 和 99.7%、65%、99.6%。然而,这些基于微柱的 QD 单光子源由于具有平面外发射特性,在波导集成方面存在困难。或者,可以将 QD 嵌入光子晶体波导或异质波导结构中,实现与波导的高效耦合。纠缠光子对也可以利用 QD 中的双复调-激子-激子级联辐射过程获得。除 QDs 外,其他一些固态量子发射体,如金刚石中的色心、碳化硅 、碳纳米管以及二维材料中的缺陷等也已得到研究,并显示出了在芯片上产生单光子或纠缠光子对的巨大潜力。

片上量子点(QD)光子源

集成概率量子光源通常利用光波导或其他光子结构(如微盘和环形谐振器以及光子晶体)中的自发四波混合(SFWM)或自发参量下变频(SPDC)。由于光的紧密约束,这些非线性参数过程在芯片上得到了极大的增强,从而能够在小型化配置中高效生成高质量的光子态。在 SFWM 中,两个泵浦光子湮灭后产生一对信号光子和惰性光子,其中泵浦(ωp1、ωp2)、信号(ωs)和惰性光子(ωi)的频率必须服从ωp1 + ωp2 = ωs + ωi,以保持能量。在 SPDC 中,一个泵浦光子被分成一对信号光子和惰光子,其中泵浦(ωp)、信号(ωs)和惰光(ωi)的频率必须同时满足 ωp = ωs + ωi。基于这种三光子过程的光子源已在具有二阶非线性的平台上实现,这些光子源的主要问题是它们产生光子的方式不确定,而且产生率受到亮度和多光子概率之间基本权衡的限制。

复用技术为解决这些问题提供了一种可行的方法。例如,一个集成的空间复用预示单光子源(HSPS)可将两个单独泵浦的光源和两个通过共同输入泵浦的光源的单光子生成概率分别提高 62.4% 和 63.1%。要进一步提高效率,需要更好的超低损耗和小型化延迟线,以及更快的开关和更快的电子设备来同步操作。

在实际量子通信系统中,并不总是需要单光子源和纠缠光子源。根据诱骗态协议,弱相干脉冲可作为单光子态的可靠替代品,用于大多数准备和测量 QKD 应用。因此,只需衰减片上激光器产生的相干脉冲,就能实现集成光子源;这种光子源已经在多个基于芯片的 QKD 系统中得到了验证。

不同类型的基于芯片的参数光子源

2)可重构光量子元件

光量子状态的操纵对于量子通信中的量子信息处理至关重要,而使用现成的集成光子学无源和有源元件可以很容易地实现这一点。

在典型的量子通信系统中,光子通常在偏振、相位、空间、光谱和时间域中进行处理。因此,它需要能影响光子这些自由度的构件,如偏振分路器/旋转器、移相器、强度调制器、定向耦合器、多模干涉仪(MMI)、环形谐振器和延迟线。其中,移相器可通过热光学效应实现低速应用,通过泡克尔斯效应实现高速应用。

这类器件已在多种集成平台中得到验证,例如带有热光学移相器的用于量子隐形传态的紫外写入硅基硅光子芯片、依靠泡克尔斯效应的带有可调谐马赫-泽恩德干涉仪(MZI)的砷化镓量子光子电路、由 30 个硅基硅波导定向耦合器阵列和 30 个热光学移相器组成的可重新编程线性光路以及大尺寸量子光子芯片,以及集成了 16 个 SFWM 光子对源、93 个热光学移相器和 122 个 MMI 分束器的大型硅光子量子电路。基于量子限制斯塔克效应(QCSE)的片上调制器也可用于脉冲产生和频率高达 GHz 的量子比特编码。对于偏振编码协议,已经设计并演示了基于偏振旋转器和偏振分束器的调制器,用于生成 BB84 偏振态。

光量子芯片上的典型集成元件

除上述元件外,量子光子芯片与光纤之间的光学连接还需要额外的集成元件。当只有一种输入或输出偏振时,可使用一维光栅耦合器和面外耦合器。否则,在有更多偏振和更宽光谱范围的情况下,可采用边缘耦合器,如用于对接耦合的倒锥形耦合器。此外,支持多极化操作的二维光栅耦合器已被证明可将路径编码的量子比特转换为偏振编码的量子比特——后者更适合在光纤中传播。

3)单光子探测器 (SPD) 和零差探测器

高效的单光子探测对量子通信应用非常重要。

探测器概览

特别是,由于与片外探测器连接会导致不可避免的耦合损耗,因此完全集成的单光子二极管非常理想。最近,一种集成波导耦合硅基 Ge-on-Si 横向雪崩光电二极管被证实可用于单光子探测,1310 纳米波长下的效率为 5.27%,80 K 时的暗计数率为 534 kHz。然而,这种单光子雪崩光电二极管在高效率下往往会出现暗计数过多的问题。作为替代方案,单光子雪崩光电二极管具有更高的探测效率、更低的时间抖动以及光子数分辨(PNR)能力,从而大大降低了暗噪。

在 GaAs、Si、Si3N4、LN等平台上已报道了波导集成 SNSPD,其中嵌入 Si 波导上的行波 SNSPD 的探测效率高达 91%,暗计数率低至 50 Hz,并在低温条件下证明了可重构元件与 SNSPD 的片上兼容性。波导 PNR 探测器可通过将多根导线串联成图案来实现。

平衡探测器已在连续可变(CV)量子信息应用中得到广泛利用,是量子测量的另一个关键探测元件。最近的发展大大提高了集成同步探测器的性能,使其在体积小、稳定性好、带宽宽、噪声低和高度共模抑制等方面达到了更高水平。例如,在硅光子芯片上单片集成了一个带宽为 150 兆赫、间隙为 11 分贝的同步探测器。然而,分立放大电子元件大大增加了器件的占地面积。为减小尺寸和总电容,利用线键合技术将硅锗同源探测器芯片与放大器芯片集成在一起,从而实现了 1.7 GHz 的 3 分贝带宽和高达 9 GHz 的射噪限制带宽。

类似的方法还被用于构建由低寄生光电二极管和低噪声高速跨阻放大器组成的芯片级 InGaAs 探测器。虽然采用商用电信跨阻放大器很方便,但它们通常会带来不理想的电气噪声。将同源探测器与定制的互阻抗放大器共同设计和集成,可有效降低噪声并显著提高性能,从而实现 20 千兆赫的射击噪声限制带宽和高达 28 分贝的量子射击噪声(quantum shot noise)清除率。

4)芯片封装及系统集成

虽然裸光量子芯片可使用探测站进行表征,但必须将其封装成耐用模块,才能开发出工作原型设备。为此,人们提出了许多将光量子芯片封装成紧凑型系统以用于实际应用的工艺。

一般来说,光子封装涉及光子芯片与光子模块中片外元件之间的光、电、机械和热连接所需的一系列技术和能力。光纤到芯片的耦合是最著名的方面之一。光纤与芯片上典型波导之间耦合的主要挑战在于它们的模场直径 (MFD)之间的巨大差异。例如,电信单模光纤(SMF)在 1550 nm 处的模场直径约为 10 μm,而相应的带状硅波导的横截面通常只有 220 × 450 nm。这种不匹配可以通过使用能从波导中有效提取模式的配置来缓解,例如与透镜式 SMF 光纤或超高数值孔径光纤相连接的倒锥形边缘耦合器,以及与 SMF 光纤相连接的光栅耦合器。就利用光栅耦合器的方法而言,在 260 纳米厚的 SOI 平台上可实现高达 81.3% (-0.9 dB)的耦合效率,而无需背反射器或覆盖层。此外,在 200 毫米 SOI 晶圆上制造的边缘耦合器的效率也超过了 90%;据报道,在 1550 nm 波长时,其耦合损耗约为 1 dB。

要访问光量子芯片上的电子元件,需要使用电子封装来传输来自电子驱动器、放大器和其他控制电路的信号。这通常通过与专用印刷电路板(PCB)连接来实现。印刷电路板与芯片上的键合焊盘之间的连接通常使用键合线。当需要大量电气连接或对多通道进行亚纳秒级精确控制时,可利用定制电子集成电路 (EIC) 进行 2.5 维或 3 维集成。这种集成可通过焊球凸块或铜柱凸块互连实现,为光子芯片提供稳固的电气、机械和热接口。

光量子器件的全局热稳定对于需要高精度和可重复性的原型或常见季节性温度波动的现场测试至关重要。这可以通过被动冷却技术或热电冷却器 (TEC) 来实现。热电冷却器增加的整体稳定性使芯片上单个光子元件(如微环谐振器、热光学移相器等)的局部温度调节更有效、可重复性更好。此外,还可安装液体冷却装置,进一步提高系统的冷却能力。

芯片封装和集成实例

作为最发达的量子安全通信技术,基于散装或光纤组件的 QKD 已被银行和政府用于为数据传输提供高级别的安全性。然而,更广泛的应用要求 QKD 系统更加坚固、紧凑,并能以更低的成本大规模制造。在本节中,我们将从系统层面介绍最近为实现完全基于芯片的 QKD 平台所做的努力。

典型集成式 QKD 的实施

1)量子随机数发生器(QRNG)

加密的安全性取决于密钥的质量或不可预测性,这意味着真正的随机数发生器是量子安全通信系统的重要组成部分。虽然伪随机数很容易创建,但其固有的确定性行为使其无法被视为真正的不可预测数。因此,人们开发了 QRNG 来生成真正的随机数,这些随机数具有不可预测、不可复制和无偏等特性,而这些特性都得到了量子物理学基本原理的保证。

集成量子随机数发生器(QRNG)

最常用的 QRNG 协议包括量子相位波动方案和真空状态方案。这些方案通过采用光电探测器而不是单光子探测器,可轻松实现高达 Gbps 的随机比特率。除了实时输出速度,模块尺寸也是 QRNG 实际应用的一个关键参数。

集成光量子学这一新兴技术在缩小尺寸方面具有相当大的优势。最近,利用复杂程度不同的各种集成技术,许多集成 QRNG 实现都得到了验证。利用多路复用探测器,基于 LiNbO3 平台的 QRNG 实现了 3.08 Gbps 的实时速率,而 InP 平台则构建了量子熵源。由于 SOI 平台与 III-V 系统相比具有更高的集成密度和更成熟的技术,因此也有报道称在 SOI 平台上通过测量相位波动和真空状态实现了 QRNG。

不过,值得注意的是,SOI 上的锗光电二极管会产生很大的暗电流,这会降低片上 QRNG 的性能,需要仔细优化才能缓解。另外,通过与 SOI 芯片封装在一起的高带宽跨阻抗混合放大器,构建了基于 InGaAs 光电二极管的集成 QRNG,其实时输出速率为 18.8 Gbps。另一种集成 QRNG 基于独立单光子雪崩二极管的并行阵列,由直流偏压发光二极管均匀照射,并与用于后处理的逻辑电路共同集成。基于 CMOS 的 QRNG 的实时比特率最高可达 400 Mbps。最近,通过光电子集成电路的定制协同设计和通过数字滤波减少副信息,使用与砷化镓跨阻抗放大器电路共同封装的 SOI 光子芯片,创下了 100 Gbps 的创纪录生成速率。

2)DV-QKD 系统

在典型的 QKD 实现中,密钥被编码为离散变量(DV),如光子的偏振或相位。这种 DV-QKD 协议的一个突出例子是诱骗态 BB84,它已被广泛应用于最先进的商业应用中。根据协议,光源、调制器、单光子探测器和基本无源光学元件构成了 DV-QKD 系统的主要框架。这些元件的光子集成始于用于差分相移 QKD 实验的非对称 PLC MZI。与基于光纤的同类产品相比,片上干涉仪在相位解码方面的运行更加精确和稳定。

随后,一系列紧凑型 QKD 设备被展示出来。例如,制造出了微型 QKD 发射器,其尺寸与光电调制器相似,其中包含一个分布式反馈激光器和一个调制器。这种小型发射器可产生以 BB84 偏振态和诱骗态编码的 1550 nm 弱相干脉冲。集成在手持设备中的客户端接收来自 QKD 服务器的微弱激光脉冲,然后对每个脉冲进行衰减和编码,再将信息比特回传给服务器。此外,基于有效尺寸为 25 毫米 × 2 毫米 × 1 毫米的集成光学结构,提出了手持式 QKD 发射器模块的设计和评估。在该模块中,四个垂直腔表面发射激光器与四个通过聚焦离子束铣削制造的微型偏振器耦合,用于生成偏振量子比特。这些量子比特与用硼硅玻璃制造的波导阵列相结合,以确保空间重叠。

前面讨论的装置表明了部分集成 QKD 系统的可行性。然而,完全基于芯片的系统对于提高性能、小型化和增加实际部署所需的功能至关重要。事实上,基于最近在散装光学发射器中引入的直接相位调制方法,可以实现无调制器 QKD 发射器芯片。使用无调制器芯片,诱骗态 BB84 和分布式相移协议在 20 dB 衰减时的安全密钥速率分别达到了 270 kbps 和 400 kbps。最近,基于 InP 光子集成电路组装成的紧凑型模块,开发出了一种完全独立的 QKD 系统。该系统集成了量子发射器、接收器和 QRNG 芯片,能以千兆赫的时钟速率进行量子随机数生成和密钥分发。

具有混合材料平台的基于芯片的 QKD 系统

硅光子技术是另一种适合全芯片 QKD 系统的极具吸引力的平台。尽管光源和 SPD 的集成仍然具有挑战性,但近年来已有一些基于硅的 QKD 器件的原理验证演示报告。此外,还报道了其他使用硅光子技术的演示,包括用于自由空间日光 QKD 的集成状态编码器、基于分时协议的硅光子 QKD 收发器、用于高速分布式相位参考 QKD 的硅光子发射器和用于多用户的集成 QKD 接收器。

用于多种 QKD 协议的硅光子芯片

最近,利用芯片系统实现先进的 QKD 协议引起了人们更多的兴趣,因为这些协议将极大地受益于光子集成。利用硅光子集成电路演示了基于多核光纤空分复用的高维 QKD 协议。这些电路为创建高维量子态提供了更有效的方法,使低而稳定的 QBER 远远低于相干攻击和单个攻击极限。此外,独立于测量设备(MDI)的 QKD 消除了所有侧信道检测漏洞,非常适合基于芯片的客户端-服务器场景,即客户端持有低成本光子芯片,而服务器作为不受信任的节点,集成了可在多个用户之间共享的最昂贵的元件。

用于先进 QKD 协议的不同基于芯片的量子通信系统

3)CV-QKD 系统

除了 DV-QKD,还有几种 QKD 协议被提出来将关键信息编码为连续变量,如量化电磁场的正交分量值。一个主要的技术区别是,CV-QKD 的实现只需要同源检测器,而不是 DV-QKD 中使用的专用 SPD。这一特点消除了对额外低温系统的需求,极大地简化了检测设置。因此,CV-QKD 天然适合光子集成,并与经典高带宽通信系统中使用的基于芯片的相干检测方案兼容。事实上,有人提出了一种硅光子收发器设计,其中包括所有主要的 CV-QKD 组件以及完整的子系统;有人证明了集成在光子芯片上的同调探测器(homodyne detector)测量量子态和生成随机数的可行性。最近,通过在硅光子芯片上集成所有光学元件(激光源除外),实现了与现有光纤通信基础设施兼容的稳定、小型化的 CV-QKD 系统。

原理验证表明,该系统能够在 100 千米的模拟光纤距离内产生 0.14 kbps 的密钥速率(在集体攻击下)。芯片式 CV-QKD 系统的性能可以通过进一步优化检测模块来提高。例如,通过将 CMOS 兼容硅和硅锗纳米光子元件与硅锗集成放大电子元件连接,实现了高速同传检测器:该探测器的 3 分贝带宽为 1.7 GHz,射噪限制为 9 GHz,仅需 0.84 平方毫米的微型基底面。

用于连续可变 (CV) QKD 和高速同调检测的集成电路

从超导量子比特、捕获原子、氮空位中心到连续可变态等许多平台都已证明了量子隐形传态。在这些实现方式中,光量子比特是最有希望在量子网络中构建量子通道的候选方案之一,因为它在嘈杂环境中表现稳健,而且在室温下易于操作。此外,它还能承受更长的传播距离,并将周围环境的干扰降至最低。迄今为止,光量子隐形传态已通过自由空间和光纤系统等多种方式在实验中得以实现。

基于芯片的量子隐形传态和纠缠分发系统

量子隐形传态首次在实验中得到验证时,量子比特被编码在光学台上的自由空间系统中由 BBO 晶体产生的光子的偏振中。后来,墨子号卫星和地面站之间的自由空间传送记录被推至 1400 公里以上——这一成就为全球互联量子网络铺平了道路。不过,考虑到自由空间传输在光束发散、指向和收集方面的挑战,光纤系统更有希望成为具有成本效益的城域量子网络;目前,基于光纤实现的最远距离为 102 公里。

光量子比特隐形传态的主要挑战之一是,使用线性光学技术时,贝尔态测量的理论效率仅为 50%。为了克服这一限制,可以采用连续可变光学模式作为实现完全确定性状态远距传输的替代方法。这种方法已在 6 千米长的光纤通道上得到验证。然而,由于这种方案对信道损耗很敏感,其保真度仍有待提高。对于其他类型的量子比特,利用捕获原子系统已经实现了 21 米的创纪录距离。

随着量子隐形传态不断向现实应用迈进,集成作为一项关键技术的重要性日益凸显。在未来的量子网络中,将有可能在固定硬件(如空间站中的中继器)或移动硬件(如无人机)中嵌入隐形传态芯片,将这些设备转变为轻便小巧的量子节点。这样就能远程访问量子设备,共享量子信息或释放更大的计算能力。之所以能取得这样的进步,是因为我们有能力在芯片上生成和操纵不同自由度的纠缠光子对,例如 MZI中的路径编码纠缠态、通过双折射结构工程设计的偏振编码纠缠态以及弗朗森干涉仪中的时间带纠缠态。

据报道,第一个片上隐形传态采用了片外光子源,保真度达到 0.89,尽管它是在单个芯片内实现的。集成光量子学的最新技术进步使基于纠缠的量子通信协议的实现超越了单芯片。硅光子芯片上单片集成了所有关键部件,首次演示了芯片到芯片的纠缠分发。产生了片上纠缠贝尔态,并通过二维光栅耦合器转换片上路径编码态和光纤内偏振态,将一个量子比特分发到另一个硅芯片。此外,更多集成了片上源的量子电路实现了芯片间隐形传态,保真度达到 0.88。这种芯片级的光量子比特生产、处理和传输演示为分布式量子信息处理互联网指明了一条大有可为的道路。

此外,在带有精心设计的微环谐振器的 Si3N4 芯片上演示了可见光范围内的纠缠光子对,并进一步分发在 20 千米范围内。在数百微瓦的低泵耗条件下,实现了高光子数纯度和亮度。重要的是,它在可与量子存储器连接的可见光波段光子和在光纤中以低损耗传输为特点的电信波段光子之间提供了一种纠缠联系。

本综述讨论了基于芯片的量子通信依靠集成光量子学的发展所取得的快速进步。光子集成不仅为量子通信系统的微型化和规模化提供了坚实的策略,还促进了量子通信的实际应用,并为未来的量子通信网络和量子互联网铺平了道路。

尽管已经取得了长足的进步,但芯片量子通信领域仍处于早期阶段,自然也面临着诸多挑战。在元件方面,量子通信中使用的片上元件需要比经典光通信中使用的元件更严格的规范,以确保高保真,并防止量子态在制备、操纵、传输和检测过程中发生退相干。因此,探索具有合适特性的元件至关重要。例如,高密钥速率 QKD 要求调制器能够在高时钟速率下运行,同时保持可接受的消光比,以降低不同量子态之间的串扰。然而,由于载流子注入或载流子耗尽技术会导致非理想损耗特性,因此传统的硅基调制器并不总能满足这一要求。幸运的是,基于级联 MZI 结构的超高消光(>65 dB)硅调制器以及基于电光泡克耳斯效应的 LN180、Si-LN40 和钛酸钡硅调制器的最新进展为这一问题提供了可能的解决方案。

在系统方面,包含光子源、光子电路和探测器的完全集成量子通信系统尚未实现。实现完全集成的困难在于两个挑战:

- 第一个挑战是没有一个单片平台能提供量子通信应用所需的所有功能。混合集成可能是解决这一问题的可行方案;不过,该技术仍在开发中,需要付出更多努力才能实现最终目标。

- 第二个挑战是集成量子系统的不同部分可能在不同条件下工作。例如,QD 单光子源和单光子探测器通常在低温条件下工作。相比之下,传统的集成调制器和热光学移相器是为室温应用而设计的,在这种极端条件下无法正常工作。因此,在低温条件下操纵光子已成为全集成系统的关键因素。

在安全方面,由于集成光子器件的特殊缺陷,基于芯片的量子通信面临潜在的漏洞威胁。例如,相位和偏振相关损耗是量子光子芯片的重大问题,如果不加以控制,可能会导致高估密钥率,从而损害 QKD 系统的安全性。为了解决这些问题,最近有人提出了一种后选择方案,即使存在严重的相位和偏振相关损耗,也能提供很高的密钥生成率。考虑到偏振相关损耗的诱骗态 BB84 QKD 实验利用了这一方案,并成功地在长达 75 千米的光纤链路上分发了安全密钥比特。此外,基于芯片的 CV-QKD 系统揭示并分析了自由载流子的等离子体色散效应和发射器的集成电控电路带来的安全漏洞。

由于美国国家安全局(NSA)和英国国家网络安全中心(NCSC)等政府组织对 QKD 的实际应用仍存在疑虑,因此需要进一步开展全面安全分析研究,以缩小理论模型与实际集成量子通信系统之间的差距。

除了准备和测量 QKD 之外,基于纠缠的 QKD 是未来基于芯片的 QKD 系统的另一个有前途的应用。自从在 GaAs、Si 和 Si3N4芯片中产生了时间带纠缠态,并在两个可编程 Si 芯片之间演示了芯片到芯片的纠缠分发和量子隐形传态之后,这种应用已成为可能。

目前,片上量子隐形传态大多基于后向和被动协议。未来的工作可能包括通过将量子通信系统从被动升级为主动来实现前馈控制,这样接收器就能实时应用条件单元运算来重构量子态。此外,远距离纠缠分发和量子隐形传态以及量子网络的大规模实现都依赖于量子存储器和量子中继器。例如,量子节点中的量子存储器可以在远距离各方之间产生纠缠,从而延长通信距离。然而,集成量子存储器的实验开发仍处于起步阶段。要在电信频段实现与基于光纤的长距离量子通信系统兼容的集成量子中继,还有许多工作要做。

总之,光量子芯片已迅速发展成熟,成为一个多功能平台,在尖端量子通信技术的发展中具有不可估量的价值。考虑到这些令人瞩目的成果,预计光子集成最终将在构建各种量子网络和潜在的全球量子互联网方面发挥关键作用,重塑未来通信方法的格局。(来源:光子盒微信公众号)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41377-023-01173-8

 
 
 
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