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研究人員開發(fā)了一種基于硅光子學(xué)的量子密鑰分發(fā) (QKD) 系統(tǒng)，可以前所未有的速度傳輸安全密鑰。QKD發(fā)射器（如圖）將光電集成電路與外部二極管激光器結(jié)合在一起。圖片來源：麗貝卡·薩克斯/日內(nèi)瓦大學(xué)

科技日報(bào)記者 張夢然

瑞士與意大利科學(xué)家開發(fā)了一種基于集成光子學(xué)的量子密鑰分發(fā)（QKD）系統(tǒng)，能以前所未有的速度傳輸安全密鑰。在新QKD系統(tǒng)中，除激光器和探測器外，所有組件都集成到芯片上，這具有緊湊、低成本和易于大規(guī)模生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)。該原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)代表了向?qū)嶋H應(yīng)用這種高度安全的通信方法邁出了重要一步。該成果發(fā)表在最新一期《光學(xué)研究》期刊上。

QKD技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是能將其簡單地集成到現(xiàn)實(shí)世界的通信網(wǎng)絡(luò)中。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一個(gè)重要且必要的步驟是使用集成光子學(xué)，它允許使用與制造硅計(jì)算機(jī)芯片相同的半導(dǎo)體技術(shù)來制造光學(xué)系統(tǒng)。

新研發(fā)的QKD系統(tǒng)使用發(fā)射器發(fā)送編碼光子，并使用接收器檢測它們。瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種將光子集成電路與外部二極管激光器結(jié)合在一起的硅光子發(fā)射器。QKD接收器由二氧化硅制成，由光子集成電路和兩個(gè)外部單光子探測器組成。意大利米蘭的CNR光子學(xué)和納米技術(shù)研究所團(tuán)隊(duì)則使用飛秒激光微機(jī)械加工來制造接收器。

對(duì)于發(fā)射器，使用帶有光子和電子集成電路的外部激光器可以高達(dá)2.5吉赫茲的創(chuàng)紀(jì)錄速度準(zhǔn)確地產(chǎn)生和編碼光子；對(duì)于接收器，低損耗和偏振無關(guān)的光子集成電路和一組外部檢測器允許對(duì)傳輸?shù)墓庾舆M(jìn)行被動(dòng)和簡單的檢測。用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖連接這兩個(gè)組件可高速生成密鑰。

研究人員使用150公里長的單模光纖和單光子雪崩光電二極管在不同的模擬光纖距離上進(jìn)行了密鑰交換。他們還使用單光子超導(dǎo)納米線探測器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，使量子誤碼率低至0.8%。

總編輯圈點(diǎn)

量子是物理界最小的不可再分的基本單位。量子密鑰分發(fā)用量子力學(xué)特性來保證通信安全性，一旦有第三方竊聽，就會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕易就能被識(shí)破。傳輸量子密鑰需要編碼、傳輸和檢測。提高量子密鑰分發(fā)的成碼率，對(duì)量子保密通信的實(shí)用化起著重要的作用。為提升這一系統(tǒng)的效率，需要突破發(fā)送端、接收端和后處理等多個(gè)技術(shù)瓶頸。本文介紹的這項(xiàng)工作，將大部分組件集成到了芯片上，可降低成本，易于大規(guī)模生產(chǎn)，還能更簡易地將其集成到通信網(wǎng)絡(luò)中。

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