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

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引言
量子密鑰分發(fā)(QKD)已成為量子時代安全通信極具前景的技術(shù)。在各種QKD實現(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的最新進展,重點介紹一個基于集成光電子接收機實現(xiàn)前所未有的密鑰生成速率的突破性系統(tǒng)[1]。



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, d4 x$ @4 S- M5 q. c6 w0 Z: F6 oCV-QKD簡介
  S  a  Y% B* J: fCV-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準電信組件的兼容性等優(yōu)勢。
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在典型的CV-QKD系統(tǒng)中,發(fā)送方(Alice)使用正交調(diào)制器準備相干量子態(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)無法同時完美測量兩個正交分量的特性。
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# U0 L0 C5 P! N. Y4 N" d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。
6 K5 n) ]( n3 Y5 @6 D1 `( d3 K, Z
高速CV-QKD系統(tǒng)的關(guān)鍵組件
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IQ調(diào)制器

數(shù)字信號處理(DSP)流程:準備量子態(tài)并補償系統(tǒng)不完善之處

2. 量子信道:

標準單模光纖(SSMF):在Alice和Bob之間傳輸量子態(tài)

+ A4 d  i5 O4 y/ H" C) Z3. 接收方(Bob):
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本地振蕩器(LO):用于內(nèi)差檢測的自由運行CW激光器

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

實時示波器(RTO):對接收到的信號進行數(shù)字化

DSP程序:恢復量子符號并進行相位校正
8 E! H2 R% l5 s
集成光電子接收機
高速CV-QKD系統(tǒng)的關(guān)鍵創(chuàng)新是集成光電子接收機。這個組件將硅基光電子集成芯片(PIC)與定制設(shè)計的GaAs pHEMT跨阻放大器(TIAs)相結(jié)合。
3 R) E, F8 \. [2 s" T1 m6 |

圖2說明了光電子集成芯片的示意設(shè)計,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。
: m" X2 \/ t" W, Q
使用imec的iSiPP50G硅基光電子平臺設(shè)計的光電子集成芯片包括以下元件:
, E/ N' N* X9 V+ L+ a0 f

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

波導加熱器: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
" {9 l- R+ H5 d* w
采用100 nm GaAs pHEMT工藝實現(xiàn)的定制設(shè)計TIAs具有三級核心放大器設(shè)計,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)果是一個緊湊、高性能的接收機,其量子噪聲限制帶寬超過20 GHz。


- D& m% C/ p* m( ^& p圖3顯示了集成接收機組件的顯微照片,包括光電子集成芯片(PIC)和兩個跨阻放大器(TIA)芯片。
. u+ u- H3 j% g. [
高速操作的數(shù)字信號處理
+ P0 T  }; R8 t為實現(xiàn)10 GBaud的高速操作,精心設(shè)計數(shù)字信號處理(DSP)流程至為重要。用于量子態(tài)準備的DSP程序包括以下步驟:
0 H+ [+ B) \4 Z& Z1.隨機數(shù)生成
2.概率星座整形(PCS)
3.上采樣
4.脈沖整形
( v, H+ C4 ~- G/ U5.預加重濾波
6.導頻音添加
7 Q( v. U% R0 v/ r

- T0 e% r2 u) Y7 l+ m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。
7 I( X% G7 a! r
  {# M# v$ f7 Y3 C% A預加重濾波對于補償發(fā)送器的高頻衰減特別重要,確保生成的量子態(tài)在整個信號帶寬內(nèi)保持完整。

1 e: U, `; r% |, z在接收方,用于量子符號恢復的DSP程序包括:
) N, s, L% J  R) r8 C1.數(shù)字后均衡(白化濾波)
2.導頻音頻率估計
) D) o; q, y  h" k8 X& m7 X: U3.基帶轉(zhuǎn)換
4.相位校正
8 `/ }9 |5 |2 J9 n# s( Z. ~5.時間偏移計算
6.匹配濾波和下采樣
7.殘余相移校正
; p, A. D5 H' b$ J- K
3 l2 X" W5 R  e6 n+ B安全性分析和調(diào)制格式
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。

: x8 G" `3 A; M( u, g用于正交幅度調(diào)制(QAM)的三種星座格式:
8 |: Y4 i5 v+ u

16-QAM

32-QAM

64-QAM
" H$ {# B) n& ?
4 b% A+ L3 b/ a

圖5顯示了實驗中使用的16、32和64 QAM調(diào)制格式的星座概率分布。

2 n- w8 y& v! a3 c/ `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雜性為代價提供更高的密鑰生成速率。
% p/ ?3 }, S* e9 t& f  x# s  k
, S0 D  `  [* @! x$ ]實驗結(jié)果和性能分析
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行了實驗,對每種調(diào)制格式采用8 GBaud和10 GBaud的符號速率。


- b, c4 }* |, p+ H圖6顯示了不同調(diào)制格式和符號速率下,漸近安全密鑰速率隨光纖長度的變化。

實驗的主要發(fā)現(xiàn)包括:
) S/ l' h; {% G1 \1 m

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

距離擴展:理論預測表明,16-QAM可達到85公里的安全距離,64-QAM可超過150公里
! {3 x( u* k8 L3 l

- ?! L8 c1 V* p. S
! p  M7 O! l7 X3 j( X0 l1 ~圖7顯示了不同調(diào)制格式下密鑰速率對信道損耗和額外噪聲的依賴關(guān)系。

5 Q  A6 n% ?8 V7 H" C% i; E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。

挑戰(zhàn)和未來方向
盡管這項工作代表了CV-QKD技術(shù)的重大進展,但仍存在一些挑戰(zhàn)和改進機會:

安全性證明:擴展針對任意調(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

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

距離擴展:減少與激光相位噪聲相關(guān)的額外噪聲

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

實時操作:集成超快量子隨機數(shù)生成和高速實時DSP模塊

結(jié)論
( r# g& C1 p* A6 u( j這個以10 GBaud符號速率運行并實現(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)的一個重要里程碑。通過利用集成光電子接收機和先進的數(shù)字信號處理技術(shù),這項工作為實用、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。
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5 A$ u( u; o8 q; s% O/ M) Y6 a9 x" b
參考文獻
[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.
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