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)

逍遙設(shè)計自動化

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(jìn)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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0 r# D2 H+ m7 |; M0 Z
9 W# z" q7 _8 W6 Y' Z# A: K, `CV-QKD簡介
! u7 W5 F2 {  L% S) ACV-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。

) A5 z7 M( G8 h+ @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)無法同時完美測量兩個正交分量的特性。
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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。
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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(zhǔn)備量子態(tài)并補償系統(tǒng)不完善之處
) O0 D+ o: v8 _
2. 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)

4 a" E( z9 Q6 @4 Q3. 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(jìn)行數(shù)字化

DSP程序:恢復(fù)量子符號并進(jìn)行相位校正

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。

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/ R/ K4 T3 M- n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。

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:

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(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

' a4 Q  }# U5 Q2 L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。
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9 P- A# x/ Q9 m7 k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。
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高速操作的數(shù)字信號處理
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(zhǔn)備的DSP程序包括以下步驟:
1.隨機數(shù)生成
2.概率星座整形(PCS)
7 F; ?. n- g8 h  S7 |  I3.上采樣
4.脈沖整形
5.預(yù)加重濾波
6.導(dǎo)頻音添加
1 k4 \, j: E$ j; A2 r5 g+ u) W6 `

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。
* A% ?; x: b( j9 d0 U2 |
- x; o- @2 r: M' t6 k3 }7 H預(yù)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。

  M# G$ a' e# Y, c( k8 K在接收方,用于量子符號恢復(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
5 E6 R) f+ D2 I  K* d! c& P" B+ v( v3.基帶轉(zhuǎn)換
7 U& u- ^; F0 p' W3 J4.相位校正
7 G( g) n0 Y; p5.時間偏移計算
, b" Q# f+ y, J6 j, g; P6.匹配濾波和下采樣
7.殘余相移校正

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。
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用于正交幅度調(diào)制(QAM)的三種星座格式:
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16-QAM

32-QAM

64-QAM
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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。

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)雜性為代價提供更高的密鑰生成速率。
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# e! s0 i% p  w, q4 \9 |5 Z- s實驗結(jié)果和性能分析
( n+ l! g% x: G7 `/ M6 C5 V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)行了實驗,對每種調(diào)制格式采用8 GBaud和10 GBaud的符號速率。


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:
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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
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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。

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
5 Q0 o7 {7 `! H! p, k5 ?盡管這項工作代表了CV-QKD技術(shù)的重大進(jìn)展,但仍存在一些挑戰(zhàn)和改進(jìn)機會:
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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
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結(jié)論
2 n3 e$ `+ l( Z* E+ C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(jìn)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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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.

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