集成量子光子學(xué)(IQP)是實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展和實(shí)用的量子信息處理的有前途的平臺。到目前為止，IQP 的大多數(shù)演示都集中在提高基于體和光纖元件的傳統(tǒng)平臺的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性、質(zhì)量和復(fù)雜性。一個(gè)更苛刻的問題是：“IQP 是否可以進(jìn)行傳統(tǒng)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)?”

這個(gè)問題得到了南京大學(xué)馬曉松和張拉寶和中山大學(xué)蔡新倫共同領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)的肯定回答。正如Advanced Photonics報(bào)道的那樣，該團(tuán)隊(duì)使用基于硅光子學(xué)的芯片和超導(dǎo)納米線單光子探測器(SNSPD)實(shí)現(xiàn)了量子通信。該芯片的優(yōu)異性能使他們能夠?qū)崿F(xiàn)最佳時(shí)間倉貝爾態(tài)測量，并顯著提高量子通信中的關(guān)鍵速率。

單光子探測器是量子密鑰分發(fā) (QKD) 的關(guān)鍵元件，非常適合光子芯片集成以實(shí)現(xiàn)實(shí)用和可擴(kuò)展的量子網(wǎng)絡(luò)。通過利用集成光波導(dǎo)的 SNSPD 獨(dú)特的高速特性，與傳統(tǒng)的法向入射 SNSPD 相比，單光子檢測的死區(qū)時(shí)間減少了一個(gè)數(shù)量級以上。這反過來又使該團(tuán)隊(duì)能夠解決量子光學(xué)中長期存在的挑戰(zhàn)之一：時(shí)間段編碼量子位的最佳貝爾狀態(tài)測量。

這一進(jìn)步不僅從基礎(chǔ)的角度對量子光學(xué)領(lǐng)域很重要，而且從應(yīng)用的角度對量子通信也很重要。該團(tuán)隊(duì)利用異構(gòu)集成超導(dǎo)硅光子平臺的獨(dú)特優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立于測量設(shè)備的量子密鑰分發(fā)(MDI-QKD)服務(wù)器。這有效地消除了所有可能的檢測器側(cè)信道攻擊，從而顯著增強(qiáng)了量子密碼學(xué)的安全性。結(jié)合時(shí)分復(fù)用技術(shù)，該方法獲得了數(shù)量級的MDI-QKD密鑰率提升。

通過利用這種異構(gòu)集成系統(tǒng)的優(yōu)勢，該團(tuán)隊(duì)獲得了具有 125 MHz 時(shí)鐘速率的高安全密鑰速率，可與具有 GHz 時(shí)鐘速率的最先進(jìn)的 MDI-QKD 實(shí)驗(yàn)結(jié)果相媲美。“與 GHz 時(shí)鐘速率 MDI-QKD 實(shí)驗(yàn)相比，我們的系統(tǒng)不需要復(fù)雜的注入鎖定技術(shù)，這顯著降低了發(fā)射機(jī)的復(fù)雜性，”馬課題組的博士生、Advanced 的第一作者 Xiaodong Zheng 說。光子紙。

“這項(xiàng)工作表明，集成量子光子芯片不僅提供了小型化的途徑，而且與傳統(tǒng)平臺相比，還顯著提升了系統(tǒng)性能。結(jié)合集成 QKD 發(fā)射器，一個(gè)完全基于芯片的、可擴(kuò)展的、高密鑰率的都市量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該在不久的將來實(shí)現(xiàn)，”馬說。