為了實現安全的量子通信，基於超導矽晶片的中繼伺服器，也是不可或缺的一環。 比如通過利用波導集成超導單光子探測器的獨特低死區時間特性，反之又可提升量子通訊的安全密鑰速率。 好消息是，由南京大學物理學院馬小松、祝世寧帶領的一支研究團隊，於早些時候首次利用超導-矽基咋花晶元，實現了與測量設備無關的量子密鑰分發（MDI-QKD）系統。

基於超導-矽基咋花晶元的量子通信伺服器概念圖（來自：南京大學）

長期以來，研究人員一直想要攻克量子光學領域的一個挑戰 —— 即時間倉編碼量子比特的最佳貝爾狀態測量 —— 以提升安全量子通信的關鍵速率。

集成量子光子學（IQP）是實現可擴展與實用型量子信息處理的一個有前途平臺。 但到目前為止。 IQP 的大多數演示，都集中在提升傳統平臺的實驗穩定性、品質和複雜性上。

實驗裝置示意圖（via SCI Tech Daily）

然而研究人員面臨的一個更苛刻的問題，就是 IQP 能否開展傳統技術無法進行的實驗？

好消息是，這個問題得到了南京大學馬小松、祝世寧團隊，聯合電子科學與工程學院張蠟寶、吳培亨團隊，以及中山大學電子與資訊工程學院蔡鑫倫團隊的肯定回答。

研究配圖 – 1：時間多路複用 / 星形 MDI-QKD 網路原理圖

正如《先進光子學》（Advanced Photonics）期刊報導的那樣，該團隊藉助基於矽的光子學晶元 + 超導納米線單光子探測器（SNSPD）實現了量子通信。

得益於該晶元優異的特性，研究人員能夠實現最佳的時間倉貝爾態測量，從而顯著提升量子通信的關鍵速率。

研究配圖 – 2：採用連續波激光器作為 LS，並利用編碼器模組來調製密鑰光脈衝。

作為量子密鑰分發（QKD）的關鍵元件，它很適合通過高度集成，以達成實用可哥擴展的量子網路。

而通過利用集成光波導的 SNSPD 獨特的高速特性，與傳統的法向入射方案相比，新技術的單光子檢測死區時間被減少了至少一個數量級，同時做到了時間倉編碼量子比特的最佳貝爾狀態測量。

研究配圖 – 3：BSM / QBER 的最優實驗結果。

撇開光學基礎研究領域不談，從應用角度來說，這項研究進展對量子通信也至關重要。 該團隊利用了異構集成超導矽光子平臺的獨特優勢，做到了獨立於測量設備的 MDI-QKD 量子密鑰分發服務。

研究配圖 – 4：通過時間多路復用來提升密鑰速率

更重要的是，此舉有效地消除了所有潛在的監測器側通道攻擊，從而顯著增強了量子密碼學的安全性。 結合時分複用技術，研究人員將 MDI-QKD 金鑰速率提升了一個數量級。

研究配圖 – 5：不同損耗情況下的金鑰速率（含晶片插入損耗）

結合這種異構集成系統的優勢，該團隊最終達成了具有 125 MHz 時鐘速率的高安全密鑰速率，且效力上可與 GHz 級別的最先進 MDI-QKD 實驗相媲美。

研究一作、來自馬小松課題組的南京大學物理學院博士生鄭曉冬表示，他們的系統無需複雜的注入鎖定，因而顯著降低了發射機的複雜性。

此外這項工作表明，集成量子光子晶元不僅提供一種小型化途徑，還具有較傳統平臺更顯著的系統性能提升。

展望未來，我們或很快見到基於集成式 QKD 發射器實現的完全基於晶片、可擴展、高密鑰速率的城域量子網路。