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研究人員開發了一種基于硅光子學的量子密鑰分發 (QKD) 系統，可以前所未有的速度傳輸安全密鑰。QKD發射器（如圖）將光電集成電路與外部二極管激光器結合在一起。圖片來源：麗貝卡·薩克斯/日內瓦大學

瑞士與意大利科學家開發了一種基于集成光子學的量子密鑰分發（QKD）系統，能以前所未有的速度傳輸安全密鑰。在新QKD系統中，除激光器和探測器外，所有組件都集成到芯片上，這具有緊湊、低成本和易于大規模生產等諸多優點。該原理驗證實驗代表了向實際應用這種高度安全的通信方法邁出了重要一步。該成果發表在最新一期《光學研究》期刊上。

QKD技術的一個關鍵目標是能將其簡單地集成到現實世界的通信網絡中。實現這一目標的一個重要且必要的步驟是使用集成光子學，它允許使用與制造硅計算機芯片相同的半導體技術來制造光學系統。

新研發的QKD系統使用發射器發送編碼光子，并使用接收器檢測它們。瑞士日內瓦大學團隊開發了一種將光子集成電路與外部二極管激光器結合在一起的硅光子發射器。QKD接收器由二氧化硅制成，由光子集成電路和兩個外部單光子探測器組成。意大利米蘭的CNR光子學和納米技術研究所團隊則使用飛秒激光微機械加工來制造接收器。

對于發射器，使用帶有光子和電子集成電路的外部激光器可以高達2.5吉赫茲的創紀錄速度準確地產生和編碼光子；對于接收器，低損耗和偏振無關的光子集成電路和一組外部檢測器允許對傳輸的光子進行被動和簡單的檢測。用標準單模光纖連接這兩個組件可高速生成密鑰。

研究人員使用150公里長的單模光纖和單光子雪崩光電二極管在不同的模擬光纖距離上進行了密鑰交換。他們還使用單光子超導納米線探測器進行了實驗，使量子誤碼率低至0.8%。

總編輯圈點

量子是物理界最小的不可再分的基本單位。量子密鑰分發用量子力學特性來保證通信安全性，一旦有第三方竊聽，就會對系統產生干擾，輕易就能被識破。傳輸量子密鑰需要編碼、傳輸和檢測。提高量子密鑰分發的成碼率，對量子保密通信的實用化起著重要的作用。為提升這一系統的效率，需要突破發送端、接收端和后處理等多個技術瓶頸。本文介紹的這項工作，將大部分組件集成到了芯片上，可降低成本，易于大規模生產，還能更簡易地將其集成到通信網絡中。