所示的基于二氧化硅的QKD接收器由一个光子集成电路和两个外部单光子探测器组成。资料来源：Simone Atzeni, CNR-IFN

研究人员开发了一种基于集成光子学的量子密钥分配（QKD）系统，可以以前所未有的速度传输安全密钥。原理证明实验代表了向这种高度安全的通信方法的实际应用迈出的重要一步。

QKD是一种成熟的方法，为远方的安全通信提供密匙。通过利用光的量子特性来生成用于加密和解密数据的安全随机密钥，其安全性基于物理学定律，而不是像今天的通信协议那样的计算复杂性。

"研究小组成员、瑞士日内瓦大学的Rebecka Sax说："QKD技术的一个关键目标是能够简单地将其整合到现实世界的通信网络中。"实现这一目标的一个重要和必要的步骤是使用集成光子学，它允许使用制造硅计算机芯片的同样的半导体技术来制造光学系统。"

在《光子学研究》的一篇文章中，由日内瓦大学的Hugo Zbinden领导的研究人员描述了他们新的QKD系统，其中除了激光器和探测器之外，所有的部件都集成在芯片上。这带来了许多优势，如紧凑性、低成本和易于大规模生产。

"尽管QKD可以为银行、卫生和国防等敏感应用提供安全保障，但它还不是一项广泛的技术，"萨克斯说。"这项工作证明了技术的成熟性，并有助于解决围绕通过光学集成电路实现它的技术问题，这将允许在网络和其他应用中进行整合。"

研究人员已经开发了一个基于硅光子学的量子密钥分配（QKD）系统，可以以前所未有的速度传输安全密钥。QKD发射器（如图）将一个光子和电气集成电路与一个外部二极管激光器相结合。资料来源：日内瓦大学的Rebecka Sax
建立一个更快的基于芯片的系统
在以前的工作中，研究人员开发了一个三态时空的QKD协议，用基于标准光纤的组件进行，实现了QKD传输的创纪录的高速度。

"我们在这项新工作中的目标是使用集成光子学实现同样的协议，"萨克斯说。"集成光子系统的紧凑性、稳健性和易操作性--在实施或在网络中排除故障时需要验证的组件较少--提高了QKD作为安全通信技术的地位。"

QKD系统使用一个发射器来发送编码的光子，一个接收器来检测它们。在这项新工作中，日内瓦大学的研究人员与德国柏林的硅光子学公司Sicoya GmbH和日内瓦的量子网络安全公司ID Quantique合作，开发了一个硅光子学发射器，它将光子集成电路与外部二极管激光器结合起来。

QKD接收器由二氧化硅制成，由一个光子集成电路和两个外部单光子探测器组成。意大利米兰CNR光子学和纳米技术研究所的Roberto Osellame小组使用飞秒激光微加工来制造接收器。

"萨克斯说："对于发射器来说，使用带有光子和电子集成电路的外部激光器使其有可能以高达2.5 GHz的创纪录速度准确地产生和编码光子。"对于接收器，一个低损耗和偏振独立的光子集成电路和一组外部探测器允许对传输的光子进行无源和简单的检测。用一根标准的单模光纤连接这两个部件，就可以高速生产密匙。

低损耗、高速传输
在彻底表征了集成发射器和接收器之后，研究人员利用它进行了秘密密钥交换，使用了不同的模拟光纤距离，以及150公里长的单模光纤和单光子雪崩光电二极管，这非常适合于实际的实施。

他们还使用单光子超导纳米线探测器进行了实验，这使得量子比特错误率低至0.8%。该接收器不仅具有偏振独立的特点，这在使用集成光子技术时是很复杂的，而且还呈现出极低的损耗，约为3dB。

"萨克斯说："在秘密密钥率的产生和量子比特错误率方面，这些新的实验产生的结果与以前使用基于光纤的组件进行的实验相似。"然而，QKD系统比以前的实验设置要简单和实用得多，从而显示了用集成电路使用这种协议的可行性。"

研究人员现在正在努力将系统部件安置在一个简单的机架外壳中，这将使QKD在网络系统中得以实施。

参考资料：Rebecka Sax et al, High-speed integrated QKD system, Photonics Research (2023). DOI: 10.1364/PRJ.481475