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]。




" w$ i. @  ]0 B* R& l. S# V+ O  mCV-QKD簡介
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。
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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(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。


8 ?+ }9 ]) U% H$ Y8 l2 x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。
: d2 g' i# [+ d+ Q
, A& Y2 O! k! K8 K高速CV-QKD系統(tǒng)的關(guān)鍵組件
$ @  e1 r, j  j0 h% q1. 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
& M& }) R4 G$ u9 ]
% z. `! U& m8 D" h2. 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)

8 @0 T1 |9 Y! ^% K8 |% T3. 接收方(Bob):
6 Z4 d. ^) X1 `+ g5 u" E2 _

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(fù)量子符號并進行相位校正

3 I9 y+ y  |4 Y9 T. R8 u# @& h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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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。
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/ ^8 ~6 ]' m) a8 J+ _' {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
4 I- x, k( Q6 f, b# d# M! R
8 M1 v- O6 i; e$ T! v& s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。
& ?3 E  H+ y% U& c" q: V/ _  Q' d

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。
3 [! A8 C& V9 f: c
; N, T: a# v  E7 p. h# i高速操作的數(shù)字信號處理
- P' S8 Q, w3 e5 o0 Q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:
2 ~  R3 Q' }( V) y  v1.隨機數(shù)生成
4 {7 P5 W4 R0 v7 w) z) Z& e* N4 }3 o2.概率星座整形(PCS)
8 m" b, D* ]3 U- n0 y3 e3.上采樣
2 Y5 G9 u. s* D! f1 ]% H4.脈沖整形
" ^( L! Y' r1 ?/ Z9 Q- x5.預(yù)加重濾波
6.導(dǎo)頻音添加
& {4 }: ?7 `" l. _3 }
# C- A0 m: d2 p3 q
  s/ l: S# K: Z9 |% R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。
% [, ~1 c: u. q, S. y& s& ~& g
: C" W  z. Y0 z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。

0 L- H. x0 o( J' Q" n在接收方,用于量子符號恢復(fù)的DSP程序包括:
0 }3 u; `( r  t- u, Y1.數(shù)字后均衡(白化濾波)
3 I/ z! u* Z9 {7 ]1 S0 n$ O2.導(dǎo)頻音頻率估計
( Q' ~$ K/ y/ I6 @* K3.基帶轉(zhuǎn)換
4.相位校正
5.時間偏移計算
. O0 a8 l. o1 n6.匹配濾波和下采樣
7.殘余相移校正

( z; g) Z" ?7 |2 E; ^安全性分析和調(diào)制格式
0 q8 O& v5 u& yCV-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。

用于正交幅度調(diào)制(QAM)的三種星座格式:

16-QAM

32-QAM

64-QAM
, {* U: P# X0 [+ i& T3 ^

& U" q$ n* c% ?+ }- f
; W& a7 T. _5 {& G1 A1 g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。

8 t% ?( k  f" E. A  ]1 q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。

# X6 ^4 R9 O1 X& ^' W- N* m) w! z
3 z; N; @8 j* r8 h' U. }0 k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。
* j3 q) ?0 F3 p; ^" t
: A( S& p* u1 {3 Y9 g  |8 n5 q實驗的主要發(fā)現(xiàn)包括:

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(yù)測表明,16-QAM可達到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。
& I" d5 g# w* A9 {( E) f0 C
3 Y$ ~) F0 C8 d* K0 L# j- _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
, a3 ~, I1 J, }! k0 a- a' W" u& U% R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
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。
: J0 n7 O, |2 {1 x
" z# ]4 w4 g( R+ q% a, g
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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