科學家們精心設計了一個植根於集成光子學的量子密鑰分配（QKD）系統，允許以前所未有的速度傳輸安全的密鑰。這些初步的概念驗證實驗是向這種高度安全的通信技術的實際部署邁出的重要一步。QKD是一種成熟的技術，用於創建遠程實體之間受保護通信的保密密鑰，利用光的量子屬性來創建安全的隨機密鑰，這些密鑰被用於加密和解密數據。

研究人員開發了一種基於矽光子學的量子密鑰分配（QKD）系統，可以以前所未有的速度傳輸安全密鑰。QKD發射器（如圖）將一個光子和電子集成電路與一個外部二極管激光器結合起來。資料來源：Rebecka Sax，日內瓦大學

與目前依靠計算複雜性來保證安全的通信協議不同，QKD的安全性是建立在物理學原理之上的。

“研究小組成員、瑞士日內瓦大學的Rebecka Sax說：”QKD技術的一個關鍵目標是能夠簡單地將其整合到現實世界的通信網絡中。實現這一目標的一個重要和必要的步驟是使用集成光子學，它允許使用製造矽計算機芯片的同樣的半導體技術來製造光學系統。”

所示的基於二氧化矽的QKD接收器由一個光子集成電路和兩個外部單光子探測器組成。

在Optica出版集團的《光子學研究》雜誌上，由日內瓦大學的Hugo Zbinden領導的研究人員描述了他們新的QKD系統，其中除了激光器和探測器之外所有的部件都集成在芯片上。這帶來了許多優勢，如緊湊性、低成本和易於大規模生產。

“儘管QKD可以為銀行、衛生和國防等敏感應用提供安全保障，但它還不是一項廣泛的技術，”薩克斯說。”這項工作證明了技術的成熟性，並有助於解決圍繞通過光學集成電路實現它的技術問題，這將允許在網絡和其他應用中進行整合。”

建立一個更快的基於芯片的系統

在以前的工作中，研究人員開發了一個三態時空的QKD協議，用基於標準光纖的組件進行，以創紀錄的高速度實現QKD傳輸。

“我們在這項新工作中的目標是使用集成光子學實現同樣的協議，”Sax說。”集成光子系統的緊湊性、穩健性和易操作性–在實施時需要驗證的部件或在網絡中需要排除的故障較少–提高了QKD作為安全通信技術的地位。”

QKD系統使用一個發射器來發送編碼的光子，一個接收器來檢測它們。在這項新工作中，日內瓦大學的研究人員與德國柏林的矽光子學公司Sicoya GmbH和日內瓦的量子網絡安全公司ID Quantique合作，開發了一種矽光子學發射器，它將光子集成電路與外部二極管激光器結合起來。

QKD接收器由二氧化矽製成，由一個光子集成電路和兩個外部單光子探測器組成。意大利米蘭CNR光子學和納米技術研究所的Roberto Osellame小組使用飛秒激光微加工來製造接收器。

Sax說：”對於發射器，使用帶有光子和電子集成電路的外部激光器使其有可能以高達2.5 GHz的創紀錄速度準確地產生和編碼光子。對於接收器，一個低損耗和偏振無關的光子集成電路和一組外部檢測器允許對傳輸的光子進行無源和簡單的檢測。用一根標準的單模光纖連接這兩個部件，就能高速生產密匙。”

低損耗、高速傳輸

在徹底描述了集成發射器和接收器的特性後，研究人員用它來進行秘密密鑰交換，使用不同的模擬光纖距離，並使用150公里長的單模光纖和單光子雪崩光電二極管，這些都非常適合於實際的實施。他們還使用單光子超導納米線探測器進行了實驗，這使得量子比特錯誤率低至0.8%。該接收器不僅具有偏振獨立的特點，這在使用集成光子技術時很複雜，而且還呈現出極低的損耗，約為3dB。

SAX說：”在秘密密鑰率的產生和量子比特錯誤率方面，這些新的實驗產生的結果與以前使用基於光纖的組件進行的實驗相似。然而，QKD系統比以前的實驗設置要簡單和實用得多，從而顯示了用集成電路使用這種協議的可行性。”

研究人員現在正在努力將系統部件安置在一個簡單的機架外殼中，這將使QKD在網絡系統中得以實施。