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芯片|南京大学在量子通讯芯片的研发与应用上取得重要进展

芯片|南京大学在量子通讯芯片的研发与应用上取得重要进展
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芯片|南京大学在量子通讯芯片的研发与应用上取得重要进展
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为了实现安全的量子通信 ， 基于超导硅芯片的中继服务器 ， 也是不可或缺的一环 。 比如通过利用波导集成超导单光子探测器的独特低死区时间特性 ， 反之又可提升量子通讯的安全密钥速率 。 好消息是 ， 由南京大学物理学院马小松、祝世宁带领的一支研究团队 ， 于早些时候首次利用超导-硅基咋花芯片 ， 实现了与测量设备无关的量子密钥分发（MDI-QKD）系统 。
基于超导-硅基咋花芯片的量子通信服务器概念图（来自：）
长期以来 ， 研究人员一直想要攻克量子光学领域的一个挑战 —— 即时间仓编码量子比特的最佳贝尔状态测量 —— 以提升安全量子通信的关键速率 。
集成量子光子学（IQP）是实现可扩展与实用型量子信息处理的一个有前途平台 。 但到目前为止 。 IQP 的大多数演示 ， 都集中在提升传统平台的实验稳定性、质量和复杂性上 。
实验装置示意图（via ）
然而研究人员面临的一个更苛刻的问题 ， 就是 IQP 能否开展传统技术无法进行的实验？
好消息是 ， 这个问题得到了南京大学马小松、祝世宁团队 ， 联合电子科学与工程学院张蜡宝、吴培亨团队 ， 以及中山大学电子与信息工程学院蔡鑫伦团队的肯定回答 。
研究配图 - 1：时间多路复用 / 星形 MDI-QKD 网络原理图
正如《先进光子学》（）期刊报道的那样 ， 该团队借助基于硅的光子学芯片 + 超导纳米线单光子探测器（SNSPD）实现了量子通信 。
得益于该芯片优异的特性 ， 研究人员能够实现最佳的时间仓贝尔态测量 ， 从而显著提升量子通信的关键速率 。
研究配图 - 2：采用连续波激光器作为 LS ， 并利用编码器模块来调制密钥光脉冲 。
作为量子密钥分发（QKD）的关键元件 ， 它很适合通过高度集成 ， 以达成实用可可扩展的量子网络 。而通过利用集成光波导的 SNSPD 独特的高速特性 ， 与传统的法向入射方案相比 ， 新技术的单光子检测死区时间被减少了至少一个数量级 ， 同时做到了时间仓编码量子比特的最佳贝尔状态测量 。
研究配图 - 3：BSM / QBER 的最优实验结果 。
撇开光学基础研究领域不谈 ， 从应用角度来说 ， 这项研究进展对量子通信也至关重要 。 该团队利用了异构集成超导硅光子平台的独特优势 ， 做到了独立于测量设备的 MDI-QKD 量子密钥分发服务 。
研究配图 - 4：通过时间多路复用来提升密钥速率
更重要的是 ， 此举有效地消除了所有潜在的监测器侧信道攻击 ， 从而显著增强了量子密码学的安全性 。 结合时分复用技术 ， 研究人员将 MDI-QKD 密钥速率提升了一个数量级 。
研究配图 - 5：不同损耗情况下的密钥速率（含芯片插入损耗）
结合这种异构集成系统的优势 ， 该团队最终达成了具有 125 MHz 时钟速率的高安全密钥速率 ， 且效力上可与 GHz 级别的最先进 MDI-QKD 实验相媲美 。
研究一作、来自马小松课题组的南京大学物理学院博士生郑晓冬表示 ， 他们的系统无需复杂的注入锁定 ， 因而显著降低了发射机的复杂性 。
此外这项工作表明 ， 集成量子光子芯片不仅提供一种小型化途径 ， 还具有较传统平台更显著的系统性能提升 。
【芯片|南京大学在量子通讯芯片的研发与应用上取得重要进展】展望未来 ， 我们或很快见到基于集成式 QKD 发射器实现的完全基于芯片、可扩展、高密钥速率的城域量子网络 。

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