基于硅的偏振编码量子密钥分发硅基解码器

芯片|Vol 2 |2023年春季杜，Y.等人芯片2，1000391月6芯片研究文章PHOTONICSDOI：10.1016/j.chip.2023.100039用于偏振编码量子密钥分发的硅基解码器杜永强1，<$，朱训2，<$，新华2，3，赵振庚1，胡晓2，3，钱毅2，3，习晓2，3，魏可进1，刘1广西大学物理科学与技术学院广西相对论天体物理重点实验室，南宁530004 2国家信息光电子创新中心，武汉4300743中国信息通信集团公司光通信技术与网络国家重点实验室，武汉430074[2]这些作者对本文的贡献相当。电子邮件：xxiao@wri.com.cn（Xi Xiao），kjwei@gxu.edu.cn（Kejin Wei）Cite as：Du，Y.等人，Silicon-based decoder for polarization-encoding quantum keydiscoveryChip2，100039（2023）.https://doi.org/10.1016/j.chip.2023.100039收稿日期：2022年接受日期：2023年在线发布：2023年基于硅的偏振编码量子密钥分配（QKD）由于其低成本和鲁棒性的优点而得到广泛的研究。然而，由于在芯片上制作偏振独立元件的困难，以往的研究都是采用片外器件来解调量子态或进行偏振补偿。本文提出了一种基于码片的偏振编码QKD解码器。该芯片实现了偏振态分析仪，并对BB84协议进行了无要求的补偿的附加硬件，这是基于偏振到路径转换方法利用偏振分裂器旋转器。该芯片采用标准的硅光电子代工厂制造，设计紧凑，适合大规模生产。在实验稳定性测试中，平均量子误码率为0. 通过连续操作10小时而没有任何偏振反馈，达到59%。此外，该芯片能够自动补偿光纤偏振漂移时，利用开发的反馈算法，这是由一个随机的光纤偏振扰码器仿真。在100 km的光纤上实现了240 bps的有限密钥保密速率QKD演示该研究标志着QKD系统向集成化、实用化和大规模部署迈出了重要一步。关键词：量子密钥分配，硅光子学，芯片，偏振编码，偏振补偿介绍保密通信是政务、商业、国防和个人日常生活中不可缺少的一部分。传统公钥密码术的安全性依赖于某些数学函数的计算复杂性1，受到量子计算科学发展的严重威胁2量子密钥分发（QKD）的安全性是基于量子力学的基本规律，已成为信息时代保障信息安全的关键解决方案。自1984年Bennett和Bennard提出第一个量子密码协议（BB84）以来，量子密钥分配实验取得了很大的进展，并在不同的光子自由度下进行了大量的实验，如基于光纤13-17、自由空间18-20和水下21，22信道上的时间仓相位7-QKD网络也已在全球范围内部署23为了实现洲际安全通信，已经使用卫星作为可信中继来连接远程用户节点29，并且还成功地构建了大规模卫星网络30。此外，在最新的研究中也观察到了QKD的最新进展31，32。为了将日益成熟的量子密钥分配技术应用于标准的通信网络中，开发一种稳定、简单、廉价、小型化的量子密钥分配系统具有重要意义。作为量子光子学技术的领先平台，硅光子学具有高度集成化、技术成熟以及与互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容等优良特性33，34。近年来，基于硅的光电平台已被用于开发高速、鲁棒和实用的QKD器件。这些集成设备可以实现BB84协议35-基于芯片的设备的潜在的现实可兼容性已经在以前的研究中进行了广泛的研究49偏振编码已经广泛应用于基于光纤或自由空间信道的QKD系统中。已经使用体光学部件54、55或硅光子35、37、41、56、57广泛地研究了QKD的基于偏振编码的实现。然而，由于通过使用硅光子学实现偏振转换的困难，先前的基于芯片的设备或者利用体光学设备来解码研究文章DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季杜，Y.等人芯片2，1000392月6±××××∼∼偏振状态35、37、41、56或采用附加的片外器件来执行基于偏振的跟踪或偏振补偿41、57。在目前的工作中，一种新的硅基解码器的偏振编码量子密钥分配的发展。该芯片基于偏振-光程转换方法58，避免了使用偏振无关器件的要求，在不增加硬件的情况下实现了BB84协议的偏振态分析和偏振补偿该芯片使用标准的硅基光子平台制造在实验稳定性测试中，平均量子误码率（QBER）为0. 59 0. 在无任何主动反馈的情况下，通过连续操作10 h达到01%。通过引入随机光纤扰偏器模拟偏振漂移，进一步测试了芯片的稳定性。实验结果表明，该解码器能够利用改进的反馈算法自动补偿偏振漂移。最后，在100 km光纤线轴上以240位/秒（bps）的有限密钥保密速率进行了QKD原理验证演示。实验结果证明了基于硅的集成解码芯片的可行性，并标志着向完全集成的偏振编码QKD系统迈出了重要的一步。硅基偏振解码器所提出的解码器芯片的示意图在图la中示出。该芯片是使用标准硅光子铸造厂制造的，1.6 1.7 mm2，如图1b所示。它是基于板上芯片组件封装的，总体积为3.95 2.190.90 cm3，如图1c所示。整个解码芯片由以下部分组成：光斑尺寸转换器（SSC）、偏振分束器-旋转器（PSR）、两个可变光衰减器（VOA）和四个采用SSC将接收到的随机偏振信号光耦合到解码芯片中。PSR然后将偏振信号光的水平和垂直分量转换成作为两个横向电（TE）信号传播的两个片上单模波导可变光衰减（VOA）被放置在PSR的每个臂中，以便平衡由SSC和PSR引起的偏振相关损耗，SSC和PSR通常具有0.4 dB和0.7 dB的适当损耗。然后，每个TE信号被1 - 2多模干涉（MMI）分离到第1级偏振控制器（PC 1）或第2级偏振控制器（PC 2）中。PC（PC 2）。每个PC由移相器（PS）驱动的马赫-曾德尔干涉（MZI）和两个附加的PS组成。PC的输出通过SSC与单光子探测器耦合关于芯片的关键部件和制造工艺的工作原理的进一步信息在方法部分中提供。当仔细控制PS时，PC 1（PC 2）的输出构成BB84方案中此外，通过主动调节PS来约束POVM的事实允许芯片补偿由光纤双折射引起的偏振状态的变化关于BB84协议的偏振解码器芯片的POVM的进一步信息在补充材料部分中给出。实验测试搭建了芯片性能测试平台，如图1所示。 二、商业激光源（LD，WT-LD，Qasky Co.LTD），重复频率为50 MHz，脉冲宽度为200ps。将产生的光脉冲耦合到由强度调制器和偏振调制器组成的编码器芯片中，产生具有18 dB消光比（ER）的诱饵态和平均ER为25dB的四个编码器芯片调制激光脉冲并以50 MHz的重复率产生量子态。随后，通过片外可变光学衰减（DA-100，OZ Optics Ltd.）并经由光纤信道传输到接收器芯片。使用解码器芯片分析信号，然后通过片外单光子检测器（SPD，WT-SPD 2000，Qasky Co.LTD.）检测效率为10%，暗计数率为400 Hz。采用时间-数字转换器（TDC，quTAG 100，qutools GmbH）记录最终检测事件，并采用个人计算机处理TDC记录的数据。解码芯片的特性分析首先对解码芯片进行了特性分析。插入损耗约为4.6 dB，与先前研究57，59中报告的值相当。解码器芯片插入损耗的进一步详细结果见表11. 1 .一、可以观察到，当Alice发送单个偏振状态（由所发送的芯片）|H），|V），|D），以及|A），译码器芯片的总损耗为4.14dB，图1|一种硅基解码芯片。a，硅基解码器芯片的示意图。所有器件都是在标准的硅基光电平台上制造的，包括偏振分离器-旋转器（PSR）、热移相器（PS）、多模干涉仪（MMI）和可变光衰减（VOA）。该器件包含两个偏振控制器（PC 1和PC 2）。 光子通过端口H、V、D和A移动，|H），|V），|D），以及|A）分别。b，解码器芯片的显微图像解码芯片的尺寸为1.6×1.7mm2。c、解码器芯片的物理图片包装体积为3.95× 2.19×0.90 cm3。研究文章DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季杜，Y.等人芯片2，1000393月6×±图 2|硅基集成量子密钥分配实验装置。 Alice利用激光产生脉冲光，重复频率为50 MHz。所产生的脉冲光耦合到编码器芯片中，该编码器芯片包含强度调制器和偏振调制器，用于随机调制假目标和偏振状态。然后通过片外VOA将其衰减到单光子水平，并通过光纤线轴传输到BobBob使用解码器芯片对接收到的光子进行解码，并使用四个单光子探测器（SPD）对其进行探测，探测器结果由时间数字转换器（TDC）记录。由TDC记录的探测器事件使用个人计算机进行处理个人计算机和解码器芯片的电子模块连接为偏振反馈回路。表1|解码芯片插入损耗的实验结果。输入状态表示Alice发送的状态。使用四个输出端口H、V、D和A中的光子计数来计算插入损耗。应该注意的是，1 2 MMI将入射光均匀地分配到PC1和PC2中，因此每个输出中会引入3 dB的额外损耗。插入损耗（dB）输入状态H口V口D口A口合计|H)7.2140.179.8810.354.14|V)31.126.9710.1911.074.25|D)10.109.017.2034.133.83|A)10.459.7938.098.134.574.25 dB、3.83 dB和4.57 dB。同时，从光纤入射端到H、V、D和A输出端的损耗分别为4.21 dB、3.97 dB、4.20 dB和4.13 dB测量的VOA的调制范围分布在0到约3dB之间，这足以补偿偏振相关损耗。PS的3dB带宽约为3kHz，这足以响应场埋光纤和空中光纤60中的偏振变化。随后测量了芯片的关键参数PS的半波电压。这里，通过测量包含PS的MZI的ER（使用与解码器芯片相同的技术）来进行PS的半波电压的测量。如图3所示，IM的最大静态ER约为26.65 dB，半波电压PS约为0.72 V。最后，对解码芯片的ER进行测试，激光器发出的脉冲光耦合到编码器芯片产生四种BB84偏振态之一，然后传输到解码器芯片进行解调。ER分别为28.86 dB、26.02 dB、27.70 dB和29.21 dB，偏振状态|H），|V），|D）和|A）分别。固有稳定性测试为了证明解码器芯片的可靠性，进行了10小时的长期运行测试。如图4所示，四个BB84偏振态是随机产生的，并使用解码器芯片直接测量平均QBER为0。59 0. 在不加任何活性原料的情况下，连续操作10 h，图3|消光比通过单独扫描强度调制器内部的PS电压获得。横坐标为扫描电压值，纵坐标为ERS=10×lg（Iout/Imin），Iout为当前电压对应的输出光子数，Imin为整个扫描电压范围内的最小输出光子数后控制。该芯片具有固有的稳定性，为构建长时间的量子密钥分配系统提供了可能。75km光纤链路上的自动偏振补偿本文提出了一种仅利用共享量子比特就能实现实时偏振补偿的偏振补偿方案值得注意的是，第一个基于量子比特的偏振补偿方法在参考文献10中被介绍。第61章然后再完善十一岁极化补偿方案的基本思想是Bob每秒评估Z基和X基中的平均QBER（QBERZ和QBERX）。在通过反馈算法（该算法基于梯度下降62）处理之后，计算机然后控制可编程线性DC源以改变θ1、θ2、θ3和θ4的延迟，直到QBERZ和QBERX小于设定阈值。方案的详细过程在补充资料部分进行说明。研究文章DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季杜，Y.等人芯片2，1000394月6=z，1z=−z，z，z卢卢z，0图4|在10 h内无主动偏振反馈的偏振编码解码器的QBER。平均QBER由红点表示。每5分钟计算一次QBER。图6|安全密钥速率与光纤距离相反。红色的五边形代表有限状态下的实验SKR。蓝线表示基于我们的实验参数的理论时间优化算法。结果表明，该偏振补偿方案是可行的，鲁棒性强。不同光纤距离下的QKD安全密钥速率最后，使用25 km、50 km、75 km和100 km的光纤距离进行QKD测试。对于每个距离，除了Bob选择Z基的概率之外，执行具有优化参数的实一对于每个距离，脉冲总数N1010和有限状态下的SKR通过以下公式估算：l≤ s 0 + s 1。1− h。φλEC− 6log2（19/<$sec）− log2（2/<$cor），（1）其中sl是Bob接收到的检测器事件的下限，Alice在Z基下发送空状态，sl是Bob接收到图5|当偏振扰频器在20-30 min内的任何时间进行随机干扰时，偏振补偿系统。红色实线表示系统的平均QBER，而绿色和蓝色实线分别表示Z基的QBER Z和X基的QBER X。插图显示了111.7-112.7分钟期间的放大实验数据QBERZ和QBERX之间的差异源于Z和X基中发送状态的不对称概率。为了测试偏振补偿方案的性能，随机调制了4个BB84偏振态，其中Z基和X基的发送概率分别为0.9和之后，这些状态被衰减到每个脉冲大约0.6个光子，然后通过75公里长的光纤线轴发送给鲍勃进行解码和检测。由于安装的光纤中的偏振漂移相对较小，因此在光纤线轴后面放置偏振扰频器以随机干扰进入解码器芯片的光子的偏振（扰频实验结果如图5所示。系统的QBERZ、QBERX在整个180分钟的运行时间内，每次扰动后，错误率平均增加50%以上。如图1的插图所5时，平均QBER通过极化补偿系统反馈减小到约1。59%，在大约1分钟内。假设Alice仅在Z基中发送单光子状态，则检测事件的下限。φu是相位误差率的上限，λEC是用于纠错的公开比特数，以及分别用于评估保密性和正确性的参数h（x）xlog2x（1x）log2（1x）表示二进制香农信息函数。实验结果如图所示。第六章在有限密钥分析下，在100 km上实现了240 bps的SKR每种距离的更详细的实验结果见补充材料部分。结论在这项研究中，一种新的解码芯片的偏振编码量子密钥分发系统的开发和验证，采用硅基光电平台。该接收芯片具有很高的固有稳定性，能够解调出具有良好消光比的偏振态同时，该芯片还能自动进行偏振补偿.在QKD测试中，安全密钥比特成功地分布在长达100公里的光纤距离上。这些结果验证了在没有片外偏振控制器的情况下实现偏振解码器芯片的可行性，这标志着朝着更紧凑的QKD系统64迈出了重要的一步。目前工作中制造的芯片在不同的操作场景中具有吸引力，特别是在基于卫星的日光上行QKD中，其中接收器放置在太空中，并且可以接收1550 nm波长的光研究文章DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季杜，Y.等人芯片2，1000395月6×××××剥削65，66. 此外，目前工作中的偏振解码芯片仅需要约2V的电压驱动PS来实现偏振态分析和补偿，从而大大简化了QKD系统的电子学设计芯片的进一步集成也可以通过混合器件技术来实现，在这种技术中，光学和电子元件被集成到单个微芯片上。方法光斑尺寸转换器由Si波导组成，其宽度逐渐变细到小平面67附近的窄尖端。光斑尺寸转换器的设计是基于模离域效应，即模场尺寸与光纤模场尺寸相匹配，模离域效应增加了模场沿倒锥的空间为了减少掩埋氧化层的反射损耗，还将点尺寸转换器设置为暂停。偏振分离器旋转器包括以下两个功能部分：TM0-TEn模式转换器和TE n-TE0模式转换器68。TM0-TEn模式转换器的原理是锥形脊形波导的模式混合.采用光束整形的方法实现了TEn-TE0模式转换器，进而完成了偏振分束器旋转器的功能。该芯片是在直径为200 mm的标准绝缘体上硅晶片上制造的。该晶片由220 nm硅层和3 µm掩埋氧化硅层组成，基于CompoundTek硅光子平台的90 nm CMOS工艺。单模硅波导的宽度为450 nm。光经由具有约100 μm的锥长的SSC耦合进/出芯片，然后使用紧凑型偏振分束器-分束器69分离并转换成TE模式。VOA的功能是基于正向载流子注入PIN结，其衰减随外加电压的增加而增加。VOA的长度约为200 µm。为了获得接近平衡的分光比，1 2多模干涉仪（MMI）和2 2 MMI耦合器分别被设计为约4 14μm2和8 60 μm2。所有八个移相器（PS）都是相同的，长度为260µm，在MZI中实现时，可有效实现约28 dB的静态消光值得注意的是，实时地，每个MZI中的一个臂上的仅一个PS是活动的，并且另一个PS被设计用于补偿0.05 dB损耗。铝制DC焊盘的间距焊盘面积约为80 100 µm2.引用1. 里韦斯特河L.，Shamir，A. &阿德曼湖一种获得数字签名和公钥密码系统的方法。Commun.ACM21，120-126（1978）.网址：//doi.org/10.1145/359340.359342。2. 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