[论文解读] Silicon-based decoder for polarization-encoding quantum key distribution

Yongqiang Du, Xun Zhu+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种用于偏振编码量子密钥分发（QKD）的全集成硅光子解码器，实现了片上偏振态分析并能自动补偿光纤引起的偏振漂移。该芯片采用基于偏振分束旋转器（polarization splitter-rotator）的偏振-路径转换方法，在100公里光纤上实现了240 bps的密钥生成速率和0.56%的量子误码率（QBER），连续运行10小时性能稳定。

ABSTRACT

Silicon-based polarization-encoding quantum key distribution (QKD) has been widely studied, owing to its low cost and robustness. However, prior studies have utilized off-chip devices to demodulate the quantum states or perform polarization compensation, given the difficulty of fabricating polarized independent components on the chip. In this paper, we propose a fully chip-based decoder for polarization-encoding QKD. The chip realizes a polarization state analyzer and compensates for the BB84 protocol without requiring additional hardware. It is based on a polarization-to-path conversion method that uses a polarization splitter-rotator. The chip was fabricated using a standard silicon photonics foundry; it has a compact design and is suitable for mass production. In the experimental stability test, an average quantum bit error rate of $0.56\%$ was achieved through continuous operation for 10 h without any polarization feedback. Furthermore, using the developed feedback algorithm, the chip enabled the automatic compensation of the fiber polarization drift, which was emulated by a random fiber polarization scrambler. In the case of the QKD demonstration, we obtained a finite-key secret rate of 240 bps over a fiber spool of 100 km. This study represents an important step toward the integrated, practical, and large-scale deployment of QKD systems.

研究动机与目标

• 通过开发全芯片集成解码器，消除偏振编码QKD系统中对片外组件的依赖。
• 实现片上偏振态分析及对光纤引起的偏振漂移的自动补偿。
• 展示一种紧凑、可大规模生产的硅光子解决方案，兼容标准CMOS制造工艺。
• 在无需外部偏振反馈的情况下，实现长距离光纤链路中稳定、低误码的QKD性能。

提出的方法

• 解码器采用基于偏振分束旋转器（PSR）的偏振-路径转换方法，将偏振态映射至不同的输出路径。
• 芯片在标准硅光子平台上集成了偏振分束旋转器、热致相位延迟器、多模干涉仪（MMI）和可变光衰减器（VOA）。
• 反馈算法通过动态调节热致相位延迟器（PS1–PS4）的电压，以最小化X基和Z基的误码率，从而补偿偏振漂移。
• 反馈算法使用有限差分近似方法估计误码率对电压变化的偏导数，实现基于梯度的校正。
• 系统持续监测X基和Z基的误码率，并以循环迭代方式应用电压校正，以维持低QBER。
• 芯片采用紧凑的3.95 × 2.19 × 0.90 cm³封装形式，并通过标准硅光子代工厂工艺制造。

实验结果

研究问题

• RQ1 全芯片集成解码器能否替代偏振编码QKD系统中对片外偏振解调与补偿的需求？
• RQ2 硅光子解码器在无外部反馈条件下，长期运行中能否维持低量子误码率（QBER）？
• RQ3 片上反馈算法能否实时有效补偿光纤中随机引起的偏振漂移？
• RQ4 全集成硅基QKD系统在长距离光纤链路上可实现的密钥生成速率是多少？

主要发现

• 在无任何外部偏振反馈的条件下，芯片在10小时连续运行中实现了平均0.56%的量子误码率（QBER）。
• 所开发的反馈算法成功补偿了由随机光纤偏振扰码器模拟的光纤偏振漂移，维持了稳定的QKD性能。
• 在100公里光纤线圈上，系统实现了240 bps的有限密钥密钥生成速率，QBER为2.61×10⁻²。
• 芯片尺寸紧凑（1.6 × 1.7 mm²），且与标准硅光子制造工艺兼容，具备大规模生产潜力，并可集成于实际QKD系统中。
• 系统在25公里处密钥生成速率达4.94×10⁴ bps，100公里处降至2.40×10² bps，展现出良好的长距离可扩展性。
• 在所有测试光纤长度下，该方法均表现出高稳定性和低误码率，QBER从25公里处的0.53%增至100公里处的2.61%，仍处于安全密钥生成的可接受阈值范围内。