[论文解读] Metropolitan quantum key distribution with silicon photonics

Darius Bunandar, Anthony L. Lentine+17 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2017

Quantum Information and Cryptography被引用 44

一句话总结

该论文首次在真实城市光纤链路中实现了基于偏振编码的硅光子量子密钥分发（QKD）发射器，分别在103.6米和43公里的城域光纤链路上实现了950 kbps和106 kbps的密钥生成速率。该CMOS兼容的集成电路实现了高速、相位稳定的运行，并具备实时偏振漂移校正能力，标志着向可扩展、安全的量子通信网络迈出了重要一步。

ABSTRACT

Photonic integrated circuits (PICs) provide a compact and stable platform for quantum photonics. Here we demonstrate a silicon photonics quantum key distribution (QKD) transmitter in the first high-speed polarization-based QKD field tests. The systems reach composable secret key rates of 950 kbps in a local test (on a 103.6-m fiber with a total emulated loss of 9.2 dB) and 106 kbps in an intercity metropolitan test (on a 43-km fiber with 16.4 dB loss). Our results represent the highest secret key generation rate for polarization-based QKD experiments at a standard telecom wavelength and demonstrate PICs as a promising, scalable resource for future formation of metropolitan quantum-secure communications networks.

研究动机与目标

• 展示硅光子集成电路（PIC）在真实城域光纤链路中实现高速、稳定偏振基量子密钥分发（QKD）的可行性。
• 通过利用具有主动偏振控制功能的、相位稳定且紧凑的硅基PIC，克服光纤QKD中的偏振漂移挑战。
• 在可组合安全框架下实现高密钥生成速率，并采用严格的密钥安全参数，验证该平台在实际量子安全通信中的适用性。
• 通过CMOS兼容的制造工艺与QKD组件的集成，为未来城域量子网络建立可扩展、低成本的基础。

提出的方法

• 制备了一种CMOS兼容的硅光子集成电路（PIC），集成了10-Gbps马赫-曾德尔调制器（MZM），采用电光载流子消除技术以实现高速偏振控制。
• 采用交错式光栅耦合器实现光纤偏振态与芯片上路径态之间的转换，从而实现高效耦合与偏振复用。
• 发射器工作时钟频率为625 MHz，可在长距离光纤链路中实现毫秒级时间尺度的实时偏振漂移校正。
• 采用BB84协议结合偏振编码进行密钥生成，安全分析基于可组合框架，εsec = 10⁻¹⁰。
• 在两种场景下进行了现场测试：103.6米的本地测试（总损耗9.2 dB）和43公里的城际测试（损耗16.4 dB）。
• 系统采用单光子探测器，其饱和点远高于预期光子数，同时监测了比特错误率和相位错误率。

实验结果

研究问题

• RQ1 硅光子集成电路能否在真实城域光纤网络中实现高速、稳定的偏振基QKD？
• RQ2 在短距离和长距离光纤链路中，基于CMOS兼容PIC的QKD发射器可实现多高的密钥生成速率？
• RQ3 在真实信道条件下，与传统离散元件QKD系统相比，该PIC基发射器在密钥生成速率和误码率方面表现如何？
• RQ4 该PIC平台在多大程度上能够抑制偏振漂移，并在长距离光纤传输中维持安全密钥生成？
• RQ5 该系统能否在实际现场部署中实现可组合安全，且安全参数严格（εsec = 10⁻¹⁰）？

主要发现

• 在103.6米的本地测试中，总损耗为9.2 dB，硅光子QKD发射器实现了950 kbps的密钥生成速率，表明在受控环境中性能优异。
• 在43公里的城际测试中，总损耗为16.4 dB，系统实现了106 kbps的密钥生成速率，比特误码率为2.8%。
• 系统实现了可组合安全，εsec = 10⁻¹⁰，证实其在两种现场测试中对集体攻击具有强鲁棒性。
• PIC平台实现了毫秒级时间尺度的实时偏振漂移校正，确保了长距离光纤传输中的稳定性。
• 本工作报告了在标准电信波长下，同等信道损耗条件下，基于偏振的QKD所实现的最高密钥生成速率。
• 结果验证了CMOS兼容硅光子学作为未来城域量子安全通信网络可扩展、低成本平台的适用性。