研究人员开发了一种基于硅光子学的量子密钥分发 (QKD) 系统，可以前所未有的速度传输安全密钥。QKD发射器（如图）将光电集成电路与外部二极管激光器结合在一起。图片来源：丽贝卡·萨克斯/日内瓦大学
瑞士与意大利科学家开发了一种基于集成光子学的量子密钥分发（QKD）系统，能以前所未有的速度传输安全密钥。在新QKD系统中，除激光器和探测器外，所有组件都集成到芯片上，这具有紧凑、低成本和易于大规模生产等诸多优点。该原理验证实验代表了向实际应用这种高度安全的通信方法迈出了重要一步。该成果发表在最新一期《光学研究》期刊上。
QKD技术的一个关键目标是能将其简单地集成到现实世界的通信网络中。实现这一目标的一个重要且必要的步骤是使用集成光子学，它允许使用与制造硅计算机芯片相同的半导体技术来制造光学系统。
新研发的QKD系统使用发射器发送编码光子，并使用接收器检测它们。瑞士日内瓦大学团队开发了一种将光子集成电路与外部二极管激光器结合在一起的硅光子发射器。QKD接收器由二氧化硅制成，由光子集成电路和两个外部单光子探测器组成。意大利米兰的CNR光子学和纳米技术研究所团队则使用飞秒激光微机械加工来制造接收器。
对于发射器，使用带有光子和电子集成电路的外部激光器可以高达2.5吉赫兹的创纪录速度准确地产生和编码光子；对于接收器，低损耗和偏振无关的光子集成电路和一组外部检测器允许对传输的光子进行被动和简单的检测。用标准单模光纤连接这两个组件可高速生成密钥。
研究人员使用150公里长的单模光纤和单光子雪崩光电二极管在不同的模拟光纤距离上进行了密钥交换。他们还使用单光子超导纳米线探测器进行了实验，使量子误码率低至0.8%。
量子是物理界最小的不可再分的基本单位。量子密钥分发用量子力学特性来保证通信安全性，一旦有第三方窃听，就会对系统产生干扰，轻易就能被识破。传输量子密钥需要编码、传输和检测。提高量子密钥分发的成码率，对量子保密通信的实用化起着重要的作用。为提升这一系统的效率，需要突破发送端、接收端和后处理等多个技术瓶颈。本文介绍的这项工作，将大部分组件集成到了芯片上，可降低成本，易于大规模生产，还能更简易地将其集成到通信网络中。