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
/ P6 e& n. h+ |' F: ~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]。

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CV-QKD簡(jiǎn)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(chǎng)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)。
* i# n$ H+ }8 v2 d$ ~0 I) K  L5 I/ Z
* L6 f+ ?" y5 w% n' F5 B" b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(cè)技術(shù)(如外差探測(cè)或零差探測(cè))測(cè)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(cè)量?jī)蓚�(gè)正交分量的特性。


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。
0 u) p2 P2 i2 S6 [; Q/ C; V
高速CV-QKD系統(tǒng)的關(guān)鍵組件
/ R+ t3 w" G4 `* o3 w* ~) D1. 發(fā)送方(Alice):
6 s7 P/ f4 K* K% W' A0 W

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

# p; {+ c: g0 I8 c2. 量子信道:

標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SSMF):在Alice和Bob之間傳輸量子態(tài)
: f) J! z: V3 `
3. 接收方(Bob):
9 T+ u" p1 z& \) v4 L' k9 J

本地振蕩器(LO):用于內(nèi)差檢測(cè)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
% x) B* Y/ A$ h7 F3 v# M1 v  F: z" h
# X/ d$ s1 M1 J集成光電子接收機(jī)
% q+ y, ]6 Y( F' |- l2 |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。

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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(cè)器。

  r/ m7 w8 `6 C9 E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:
1 U  H: x2 n$ K

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(cè)量的正交分量之間有90°相移

平衡零差探測(cè)器:由馬赫-曾德爾干涉儀(MZIs)和光電探測(cè)器組成

" g6 W6 Q! x% C$ z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。
/ d! \; I1 s1 l3 G  m/ t4 s4 `+ D. E

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。
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高速操作的數(shù)字信號(hào)處理
. a3 y1 g1 D% X1 w, S. \: h$ w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:
: n3 w0 o2 M) L1.隨機(jī)數(shù)生成
' U* @2 D- S% n+ D0 `: \! }& \2.概率星座整形(PCS)
* Q' a* ^$ X* Q5 K3.上采樣
, v  r* W, T; }4.脈沖整形
5.預(yù)加重濾波
6.導(dǎo)頻音添加
# w4 M4 m: k% M# |
0 X# K0 ?# w7 m
# R6 S" j, U- ?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。

9 P1 o4 l4 n& w- }- C8 y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。
8 ~# S. a4 ]. L# E8 C6 \. V
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)
2.導(dǎo)頻音頻率估計(jì)
0 w) ?+ Q' o! |. {: M# |. E3.基帶轉(zhuǎn)換
7 a" f) t+ j& K0 B4.相位校正
$ w/ d& d  f9 F5.時(shí)間偏移計(jì)算
6.匹配濾波和下采樣
8 H/ }- j$ u+ j& |0 k7.殘余相移校正

0 `+ h5 F6 K0 k: r7 z7 v安全性分析和調(diào)制格式
5 V5 \$ P/ i7 f! x. s3 L& @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。
; z9 _1 x9 A/ ^; R( S" S' R
用于正交幅度調(diào)制(QAM)的三種星座格式:
( f1 S3 Q7 v7 \- _+ O# E" z

16-QAM

32-QAM

64-QAM



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。
) z  p4 |4 o  w. z9 \. _  i  w$ j( o/ L
3 }. w+ I- ?. M( Z0 D* {8 f7 q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。
7 m6 M9 c8 k: s4 E+ q
) u* ?" H. g, j: @5 I; S) H實(shí)驗(yàn)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(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。
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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(zhǎng)度的變化。

實(shí)驗(yàn)的主要發(fā)現(xiàn)包括:
0 U& K7 W+ Z; H( w6 b+ V! g

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(cè)表明,16-QAM可達(dá)到85公里的安全距離,64-QAM可超過150公里

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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。

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。

  Q. C4 x! R; l1 a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

結(jié)論
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。

! _# {( h7 ]2 O- l+ z) V" j2 e
參考文獻(xiàn)
0 |: d: T$ ~# t  w[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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