近期新捕京官网量子信息与量子通信团队与国家信息光电子创新中心合作，在芯片集成量子密钥分发系统研制上取得重要进展，研究论文“基于硅光子集成的资源节约型量子密钥分发”（Resource-efficient quantum key distribution with integrated silicon photonics）被《Photonics Research》杂志接收发表。该工作获得国家自然科学基金重点项目、面上项目、广西相对论天体物理重点实验室开放课题、新捕京3522com自然科学与技术创新发展倍增计划等项目资助。

《Photonics Research》（PR）创刊于2013年，其专注于报道光学和光子学的基础和应用研究进展，自创刊以来影响因子逐年增长，发文体量持续上升，影响力不断扩大，最新影响因子为7.254，在SCIE收录的101种光学期刊中排名第12，物理与天体物理大类一区Top期刊。

量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）作为量子通信中最成熟的技术之一，也是量子信息时代保障信息安全的关键解决方案。经过近几十年的发展，QKD在理论和实验方面都取得了新进展，尤其QKD的实验验证在高速率、远距离和广域量子网络等方面取得突破。当前，利用硅基集成技术的CMOS兼容性、多功能性以及可大规模集成等优势发展一个小型化、低成本和鲁棒性的QKD系统是进一步推动QKD技术实用化和商用化的关键。然而，受限于当前芯片和器件工艺水平，目前大多数的芯片QKD系统仍然需要使用传统光纤光学组件进行量子态的解调和部分辅助任务，比如异地时钟同步和偏振补偿。因此，如何构建一个完全集成的QKD系统是当前国内外的研究难点和热点。

在这个研究中，作者利用自主硅光子IP和集成平台，通过利用路径-偏振转化的芯片架构，设计并实现了一套用于偏振编码QKD的编码器和解码器芯片。基于该编码器和解码器芯片发展异地时钟同步和偏振补偿技术，提出了一种资源节约型的全集成QKD方案。该方案可以直接利用芯片制备和测量BB84-QKD所需的四种偏振态实现异地时钟同步和偏振补偿而不需要额外的设备。

研究团队通过搭建了一套基于硅基集成芯片的BB84-QKD实验系统对该资源节约型方案开展测试（如图1所示）。实验结果表明，在无任何主动反馈的情况下该方案可以在连续6小时的时间内保持0.5±0.02%的低量子比特错误率（QBER），验证了该方案的稳定性（如图2. (a)所示）；此外，采用自研高速反馈算法，该方案成功实现了光纤偏振漂移的自动补偿，验证了该方案的可行性（如图2. (b)所示）；最后，成功在150 km的商用光纤链路上获得了866 bps的安全密钥率（如图2. (c)所示）。

这项研究对研制一个可商用化的低成本、鲁棒性、晶圆级的QKD系统具有重要意义，为未来QKD大规模部署奠定基础。

图1:  (a) 硅基集成QKD系统实验装置示意图。Alice端：Laser：激光器，Encoder：偏振编码器芯片，VOA：可变光衰减器，Delayer：信号延时器，AWG：任意波形发生器，DC：可编程直流电源。Bob端：Decoder：偏振解码器芯片，SNSPD：超导纳米线单光子探测器，TDC：时间数字转化器；(b) 偏振编码器芯片内部结构示意图；(c) 偏振解码器芯片内部结构示意图；(d) 偏振编码器芯片实物图，封装体积20×11×5 mm³；(e) 偏振解码器芯片实物图，封装体积3.95×2.19×0.90 cm³。

图2：(a) QKD系统在连续6小时内实现的QBER稳定性测试。红点、蓝点和黑点分别代表Z基、X基和平均QBER。(b) 偏振补偿系统在2.4小时内测试结果(光纤扰偏器每5分钟执行一次扰偏)。红(蓝)点和黑(绿)点表示使用(不使用)偏振反馈算法时Z基和X基的QBER。(c) 不同光纤距离下的安全密钥率。红点表示在实际距离下的实验结果，蓝色实线表示基于实验参数的理论模拟结果。

论文作者：韦克金（通信作者）、胡晓（国家信息光电子创新中心）、杜永强（博士生）、华昕（国家信息光电子创新中心）、赵震庚（硕士生）、陈烨（硕士生）、黄春凤（博士生）、肖希（国家信息光电子创新中心，通信作者）。

Early Posting 链接：

https://opg.optica.org/prj/upcoming_pdf.cfm?id=482942

https://arxiv.org/pdf/2212.12980.pdf