極低損耗、創(chuàng)紀(jì)錄速度、安全傳輸，基于芯片的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)研成|總編輯圈點(diǎn) 熱點(diǎn)

來(lái)源: 科技日?qǐng)?bào) 2023-05-30 08:19:10

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研究人員開(kāi)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(lái)源：麗貝卡·薩克斯/日內(nèi)瓦大學(xué)

科技日?qǐng)?bào)記者張夢(mèng)然

瑞士與意大利科學(xué)家開(kāi)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(cè)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(jiǎn)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(lái)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(cè)它們。瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(cè)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(lái)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(wú)關(guān)的光子集成電路和一組外部檢測(cè)器允許對(duì)傳輸?shù)墓庾舆M(jìn)行被動(dòng)和簡(jiǎn)單的檢測(cè)。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(zhǎng)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(xiàn)探測(cè)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(lái)保證通信安全性，一旦有第三方竊聽(tīng)，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(cè)。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(jiǎn)易地將其集成到通信網(wǎng)絡(luò)中。

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