[论文解读] Quantum key distribution with dissipative Kerr soliton generated by on-chip microresonators

Fang‐Xiang Wang, Weiqiang Wang+17 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 41被引用 11

一句话总结

本论文首次展示了基于耗散克尔孤子（DKS）微腔作为多波长光源的片上量子密钥分发（QKD）系统，实现了吉赫兹速率、大规模并行的QKD。通过利用DKS产生的相干频率梳，作者在25公里链路中实现了超过200 kbps的密钥率，证明了基于集成光子电路的片上、高速QKD的可行性。

ABSTRACT

Quantum key distribution (QKD) can distribute symmetric key bits between remote legitimate users with the guarantee of quantum mechanics principles. For practical applications, the compact and robust photonic components for QKD are essential, and there are increasing attention to integrate the source, detector and modulators on a photonic chip. However, the massive and parallel QKD based on wavelength multiplexing are still challenge, due to the limited coherent light sources on the chip. Here, we introduce the Kerr dissipative soliton in a microresonator, which provides the locked coherent frequency comb with 49GHz frequency spacing, for QKD. We demonstrate the parallel QKD by demulplexing the coherent comb lines form the soliton, and showing the potential of Gbps secret key rate if the hundreds of channels covering C and L bands are fully exploited. The demonstrated soliton based QKD architecture are compatible with the efforts of quantum photonic integrated circuits, which are compact, robust and low-cost, and provides a competitive platform of practical QKD chip.

研究动机与目标

• 通过片上光子集成实现超高安全密钥率（SKR）QKD。
• 解决在紧凑、低成本QKD系统中部署多个频率锁定激光器的挑战。
• 证明利用片上耗散克尔孤子作为多波长光源实现并行QKD的可行性。
• 通过使用现成的波分复用（WDM）组件和片上集成，验证基于DKS的QKD性能。
• 探索将DKS光源与集成光子学结合，实现Gbps级QKD系统的潜力。

提出的方法

• 利用单个外部窄线宽泵浦激光器在微腔中生成耗散克尔孤子（DKS）。
• DKS产生具有约50–100 GHz间隔的相干频率梳，覆盖C波段和L波段，提供数百条稳定、窄线宽的光载波。
• 采用波分复用（WDM）技术，利用频率梳的各条谱线同时运行多个独立的QKD信道。
• 通过使用现成的WDM模块和片上DKS光源，开展原理验证实验，以验证并行QKD性能。
• 在25公里光纤链路中应用标准BB84型QKD协议，结合单光子探测和偏振编码。
• 监测单通道和多通道配置下的关键参数，如误码率（QBER）和安全密钥率，以评估可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 片上耗散克尔孤子光源是否能够替代高速、并行QKD系统中的传统激光阵列？
• RQ2 在多通道QKD中使用基于DKS的频率梳时，可实现的密钥率是多少？
• RQ3 在单通道和多通道WDM配置下，基于DKS的QKD性能表现如何？
• RQ4 DKS光源在多大程度上能够实现高稳定性、低功耗的片上集成QKD？
• RQ5 当前片上DKS光源在真实QKD部署中存在哪些实际限制？

主要发现

• 片上DKS光源生成了带宽超过150 nm、覆盖C波段和L波段的相干频率梳，支持数百条可用的梳线。
• 在25公里光纤链路中，仅使用一条梳线的单通道QKD系统中，实现了超过200 kbps的安全密钥率。
• 多通道QKD实验表现出一致性能，所有通道的平均QBER低于3%，表明无显著串串扰或性能退化。
• 系统在相邻和非相邻WDM通道中均保持稳定性能，证实了高密度频率复用的可行性。
• DKS光源实现了频率锁定、相干的梳线，几乎无需对单个激光器进行稳定，从而简化了系统架构。
• 结果表明，通过将DKS光源与超快片上调制器及高效率单光子探测器结合，可实现Gbps级安全密钥率的扩展。