Optica更新 | 基于集成光電子接收機(jī)的高速連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
量子密鑰分發(fā)(QKD)已成為量子時(shí)代安全通信極具前景的技術(shù)。在各種QKD實(shí)現(xiàn)方案中,連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)(CV-QKD)因其與現(xiàn)有電信基礎(chǔ)設(shè)施的兼容性而備受關(guān)注。本文將探討CV-QKD的最新進(jìn)展,重點(diǎn)介紹一個(gè)基于集成光電子接收機(jī)實(shí)現(xiàn)前所未有的密鑰生成速率的突破性系統(tǒng)[1]。

" w7 P6 g8 \, C  t+ A% x9 B

2 s" a$ h) q8 f+ {4 F: e/ N
5 r2 @. M/ D  M2 p& G2 [7 zCV-QKD簡介
CV-QKD是量子密碼協(xié)議,利用光的連續(xù)自由度(如電磁場的振幅和相位正交分量)來編碼信息。與離散變量QKD相比,這種方法具有更高的密鑰速率和與標(biāo)準(zhǔn)電信組件的兼容性等優(yōu)勢(shì)。

在典型的CV-QKD系統(tǒng)中,發(fā)送方(Alice)使用正交調(diào)制器準(zhǔn)備相干量子態(tài),并通過不安全的量子信道將其發(fā)送給接收方(Bob)。Bob使用相干探測技術(shù)(如外差探測或零差探測)測量接收到的量子態(tài)。系統(tǒng)的安全性依賴于固有的量子噪聲以及竊聽者(Eve)無法同時(shí)完美測量兩個(gè)正交分量的特性。


% A  }( r2 k/ ?& Y圖1展示了高速CV-QKD系統(tǒng)的設(shè)置,說明了發(fā)送方(Alice)和接收方(Bob)兩側(cè)的關(guān)鍵組件。

8 @% G) N( R0 ?高速CV-QKD系統(tǒng)的關(guān)鍵組件
2 x1 N* {0 f1 h3 A" _& f- g+ c* {6 \1. 發(fā)送方(Alice):

連續(xù)波(CW)激光器:提供穩(wěn)定的光源

IQ調(diào)制器:在邊帶頻率生成相干態(tài)

可變光衰減器(VOA):控制調(diào)制方差

任意波形發(fā)生器(AWG):驅(qū)動(dòng)IQ調(diào)制器

數(shù)字信號(hào)處理(DSP)流程:準(zhǔn)備量子態(tài)并補(bǔ)償系統(tǒng)不完善之處

2. 量子信道:
1 e( r  H: T- V. y

標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SSMF):在Alice和Bob之間傳輸量子態(tài)

3. 接收方(Bob):

本地振蕩器(LO):用于內(nèi)差檢測的自由運(yùn)行CW激光器

集成相分集接收機(jī):結(jié)合硅基光電子和定制設(shè)計(jì)的跨阻放大器(TIAs)

實(shí)時(shí)示波器(RTO):對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化

DSP程序:恢復(fù)量子符號(hào)并進(jìn)行相位校正

9 ?& g  G5 n$ _0 {6 ~5 Y8 z  m集成光電子接收機(jī)
& ^  K" f! r+ Q  P& h高速CV-QKD系統(tǒng)的關(guān)鍵創(chuàng)新是集成光電子接收機(jī)。這個(gè)組件將硅基光電子集成芯片(PIC)與定制設(shè)計(jì)的GaAs pHEMT跨阻放大器(TIAs)相結(jié)合。
( D  Y( p% Y9 b& {( e- M6 J6 U3 _

. R! W! ?$ i  v' {  W圖2說明了光電子集成芯片的示意設(shè)計(jì),展示了各種組件,如光柵耦合器、多模干涉儀(MMIs)和平衡零差探測器。

" g0 k, |- T1 U4 g8 k4 e+ o使用imec的iSiPP50G硅基光電子平臺(tái)設(shè)計(jì)的光電子集成芯片包括以下元件:

光柵耦合器:用于將光耦合到芯片中

多模干涉儀(MMIs):用于分離和合并光信號(hào)

波導(dǎo)加熱器:確保測量的正交分量之間有90°相移

平衡零差探測器:由馬赫-曾德爾干涉儀(MZIs)和光電探測器組成

$ h5 }& {8 t. e% _3 r采用100 nm GaAs pHEMT工藝實(shí)現(xiàn)的定制設(shè)計(jì)TIAs具有三級(jí)核心放大器設(shè)計(jì),可提供更高的跨阻值和更低的電子噪聲。這些組件的集成結(jié)果是一個(gè)緊湊、高性能的接收機(jī),其量子噪聲限制帶寬超過20 GHz。

5 ?, c4 v. z4 t% s3 d
圖3顯示了集成接收機(jī)組件的顯微照片,包括光電子集成芯片(PIC)和兩個(gè)跨阻放大器(TIA)芯片。
& f8 j+ W) w; e1 W+ L
- m! c( x6 U/ }高速操作的數(shù)字信號(hào)處理
為實(shí)現(xiàn)10 GBaud的高速操作,精心設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)處理(DSP)流程至為重要。用于量子態(tài)準(zhǔn)備的DSP程序包括以下步驟:
1.隨機(jī)數(shù)生成
; q+ ]* t" V( f& {- B2.概率星座整形(PCS)
2 I' s7 Z4 z9 i3.上采樣
! r) x3 |. _) o6 R: b7 }: K" t4.脈沖整形
5.預(yù)加重濾波
6.導(dǎo)頻音添加

2 Y& r7 ~# e( c2 ~0 L
. K" t$ a  L; p% s1 R圖4說明了GBaud CV-QKD系統(tǒng)的DSP程序,展示了發(fā)送方和接收方兩側(cè)的各種處理步驟。

& U! F- Q# z$ S/ q5 c$ I預(yù)加重濾波對(duì)于補(bǔ)償發(fā)送器的高頻衰減特別重要,確保生成的量子態(tài)在整個(gè)信號(hào)帶寬內(nèi)保持完整。
1 E0 }5 ]+ i+ l: F
/ J+ w9 n- v% G8 R9 L/ B在接收方,用于量子符號(hào)恢復(fù)的DSP程序包括:
1.數(shù)字后均衡(白化濾波)
" w! J, b( R4 m$ X2.導(dǎo)頻音頻率估計(jì)
3.基帶轉(zhuǎn)換
4.相位校正
5.時(shí)間偏移計(jì)算
6.匹配濾波和下采樣
. S4 m: Z8 Q" t6 ], J) Z7.殘余相移校正
+ S$ Z1 s8 B6 e8 t" B! r
安全性分析和調(diào)制格式
% |" E9 P! f6 V; ?( g  \CV-QKD協(xié)議的安全性基于態(tài)制備的等效糾纏基表示。在這項(xiàng)工作中,研究人員采用了離散調(diào)制(DM)CV-QKD協(xié)議,該協(xié)議使用有限集合的相干態(tài),而不是連續(xù)的高斯分布。

用于正交幅度調(diào)制(QAM)的三種星座格式:
0 C- D4 a' n2 S& I. j$ z

16-QAM

32-QAM

64-QAM

, _+ Z/ H1 @& H, o
4 W  ?. E2 y6 U2 V0 P# c& y4 a
圖5顯示了實(shí)驗(yàn)中使用的16、32和64 QAM調(diào)制格式的星座概率分布。
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2 T( o$ O; \  {! T7 A每種星座格式都由其調(diào)制方差和指定概率來表征,這些參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化以最大化密鑰生成速率。調(diào)制格式的選擇影響系統(tǒng)的性能,較高階的星座格式通常以增加復(fù)雜性為代價(jià)提供更高的密鑰生成速率。
' s/ x/ D. X$ G" V: N4 f1 R
) W( J) u! j7 ~5 r- {2 r實(shí)驗(yàn)結(jié)果和性能分析
+ y4 t8 q  W% c5 a7 f! f- Y, y研究人員使用高速CV-QKD系統(tǒng)在5公里和10公里的光纖距離上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),對(duì)每種調(diào)制格式采用8 GBaud和10 GBaud的符號(hào)速率。
1 k) ^5 \7 O/ p- Z
# i9 ^0 T" M- k6 h
圖6顯示了不同調(diào)制格式和符號(hào)速率下,漸近安全密鑰速率隨光纖長度的變化。
4 y) W/ M! w, n
實(shí)驗(yàn)的主要發(fā)現(xiàn)包括:

最高密鑰生成速率:使用64-QAM調(diào)制在5公里光纖信道上達(dá)到0.92 Gb/s

性能比較:由于更高的基數(shù)和更低的額外噪聲,64-QAM的性能優(yōu)于16-QAM和32-QAM

距離擴(kuò)展:理論預(yù)測表明,16-QAM可達(dá)到85公里的安全距離,64-QAM可超過150公里



圖7顯示了不同調(diào)制格式下密鑰速率對(duì)信道損耗和額外噪聲的依賴關(guān)系。
: w0 |# \8 d* @) `
4 ]2 t5 n. ^+ m; _/ r2 u結(jié)果表明,64-QAM的DM CV-QKD協(xié)議性能接近連續(xù)高斯調(diào)制協(xié)議(GG02),突顯了離散調(diào)制在高速Q(mào)KD系統(tǒng)中的潛力。
4 A, z1 j! T2 N4 r% @) w
挑戰(zhàn)和未來方向
盡管這項(xiàng)工作代表了CV-QKD技術(shù)的重大進(jìn)展,但仍存在一些挑戰(zhàn)和改進(jìn)機(jī)會(huì):

安全性證明:擴(kuò)展針對(duì)任意調(diào)制模式的一般攻擊的可組合安全性證明

系統(tǒng)穩(wěn)定性:通過將光纖連接到光電子芯片來提高穩(wěn)定性

符號(hào)速率提高:解決模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADCs)中的交錯(cuò)雜散問題,以充分利用接收機(jī)的帶寬

距離擴(kuò)展:減少與激光相位噪聲相關(guān)的額外噪聲

發(fā)送器集成:實(shí)現(xiàn)高速集成發(fā)送器,提高技術(shù)成熟度

實(shí)時(shí)操作:集成超快量子隨機(jī)數(shù)生成和高速實(shí)時(shí)DSP模塊
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' s- y' {2 e  Y結(jié)論
0 p4 F+ I3 c( y3 H  S" [$ K這個(gè)以10 GBaud符號(hào)速率運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)超過0.7 Gb/s密鑰生成速率的CV-QKD系統(tǒng)代表了量子通信技術(shù)的一個(gè)重要里程碑。通過利用集成光電子接收機(jī)和先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),這項(xiàng)工作為實(shí)用、高性能的QKD系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ),能夠滿足未來量子安全網(wǎng)絡(luò)的需求。

6 D/ X; Z9 N) A( E7 X$ `
: w1 N1 s' T% w. h2 h參考文獻(xiàn)
[1]A. E. Hajomer et al., "Continuous-variable quantum key distribution at 10 GBaud using an integrated photonic-electronic receiver," Optica, vol. 11, no. 9, pp. 1197-1204, Sep. 2024.
8 G4 d9 y5 d0 C" a( K- ]/ `
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