采用超導矽片作為不可信的中繼伺服器，實作安全的量子通信。利用波導內建超導單光子探測器(中間有發夾形狀的紅色導線)特有的低死區時間特性，實作了最佳時bin編碼貝爾态測量(四個光子之間呈藍色和灰色波狀曲線，用紅球表示)。這反過來又提高了量子通信的安全密鑰率。資料來源:南京大學
內建量子光子學(iqp)是實作可擴充的、實用的量子資訊處理的一個很有前途的平台。到目前為止，iqp的大多數示範都集中在提高基于體積和光纖元件的傳統平台實驗的穩定性、品質和複雜性上。一個更苛刻的問題是:“在iqp中是否存在傳統技術無法實作的實驗?”
這個問題得到了由南京大學的馬曉松、張拉寶和中山大學的蔡新倫共同上司的團隊的肯定回答。據《advanced photonics》報道，該團隊使用基于矽光子學的晶片和超導納米線單光子探測器(snspd)實作了量子通信。該晶片的優異性能使他們能夠實作最佳時bin bell态測量，并顯著提高量子通信中的密鑰率。
單光子探測器是量子密鑰配置設定(qkd)的關鍵元件，是實作實用和可擴充量子網絡的光子晶片內建的理想器件。通過利用光波導內建snspd獨特的高速特性，單光子探測的死區時間比傳統的正入射snspd減少了一個數量級以上。這使得該團隊能夠解決量子光學中一個長期存在的挑戰:時間bin編碼量子位元的最佳貝爾态測量。
(a)實驗裝置示意圖。mdi-qkd的伺服器使用超導矽光子晶片進行最佳貝爾态測量，該晶片允許alice和bob在不受探測器側通道攻擊的情況下交換安全密鑰。(b)當alice和bob發送相同的狀态(藍點)或不同的狀态(紅點)時，重合中的破壞性和建設性幹涉計數。(c)不同損失下的安全關鍵利率。資料來源:鄭等，doi: 10.1117/1.ap.3.5.055002。
這一進展不僅對量子光學的基礎研究具有重要意義，而且對量子通信的應用也具有重要意義。該團隊利用非均勻內建的超導矽光子平台的獨特優勢，實作了測量裝置無關的量子密鑰配置設定伺服器(mdi-qkd)。這有效地消除了所有可能的檢測器側通道攻擊，進而大大提高了量子密碼的安全性。結合時間複用技術，該方法獲得了一個數量級的mdi-qkd密鑰速率的增加。
通過利用這種異構內建系統的優勢，該團隊在125mhz時鐘速率下獲得了高安全密鑰率，這可以與目前最先進的mdi-qkd在ghz時鐘速率下的實驗結果相媲美。“與ghz時鐘速率mdi-qkd實驗相比，我們的系統不需要複雜的注入鎖定技術，這大大降低了發射機的複雜性，”馬博士團隊的博士生鄭曉東說，他是《先進光子學》論文的第一作者。
“這項工作表明，內建量子光子晶片不僅提供了一條小型化的道路，而且與傳統平台相比，還顯著提高了系統性能。結合內建的qkd發射器，一個完全基于晶片的、可擴充的、高關鍵速率的城域量子網絡應該在不久的将來實作。”馬說。