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)自動化

引言
) h9 F) Y4 W, @, S' |; I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]。




- u* d' a+ y6 GCV-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。

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(shí)完美測量兩個(gè)正交分量的特性。


6 c3 c% @1 i0 Q& `3 R  n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。

2 @  d) C  d& K; m- Z: ]) {' a1 ^3 S# n高速CV-QKD系統(tǒng)的關(guān)鍵組件
1. 發(fā)送方(Alice):
* t. g" u7 g) r% Z2 ~

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(bǔ)償系統(tǒng)不完善之處

2. 量子信道:
6 N  D4 j) \- I. S% S' _5 F4 ~

標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SSMF):在Alice和Bob之間傳輸量子態(tài)

) s% O  V0 }% V; j- T8 |/ S3. 接收方(Bob):
4 W! w" R  w" s1 k9 r

本地振蕩器(LO):用于內(nèi)差檢測的自由運(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(jī)
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。
8 O! V$ ?( o1 f

* u8 x$ A1 R" G% ]1 J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)和平衡零差探測器。
+ P+ `2 N. t' N* M$ B1 o" y
: |2 k/ c. v- i使用imec的iSiPP50G硅基光電子平臺設(shè)計(jì)的光電子集成芯片包括以下元件:
1 a  H3 A2 i- B" t( H

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

采用100 nm GaAs pHEMT工藝實(shí)現(xiàn)的定制設(shè)計(jì)TIAs具有三級核心放大器設(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。

& R" m9 _. E; R" e0 A$ r
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。

/ N7 i9 f) P$ i3 G  G. y! M高速操作的數(shù)字信號處理
為實(shí)現(xiàn)10 GBaud的高速操作,精心設(shè)計(jì)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:
  H9 _; Q0 i1 j4 r) m1.隨機(jī)數(shù)生成
2.概率星座整形(PCS)
3.上采樣
4.脈沖整形
5.預(yù)加重濾波
6.導(dǎo)頻音添加
; `  `3 S3 c, Y8 y" p: P3 B% ~0 c

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。
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預(yù)加重濾波對于補(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)信號帶寬內(nèi)保持完整。
4 J1 |# P- t% g
# X" Y$ Q6 ], A* I9 f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)
; U7 d1 \. {( ?4 D; I& f- t2.導(dǎo)頻音頻率估計(jì)
* N1 c  ?1 M0 d! L3.基帶轉(zhuǎn)換
7 D8 r: h+ Q, {# O4.相位校正
) a2 ~: T  D  @6 b5 t5.時(shí)間偏移計(jì)算
6.匹配濾波和下采樣
7.殘余相移校正

2 {  G: N( m, a0 z2 a$ O安全性分析和調(diào)制格式
  Z* q: y/ t- d% y2 wCV-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。

用于正交幅度調(diào)制(QAM)的三種星座格式:
# H! l2 p5 l+ W" J9 |

16-QAM

32-QAM

64-QAM
2 m+ |& V4 ~% x- ]
0 A& A( i! K7 E! c0 Z9 |& I

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。

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。

# @+ K: H2 Q# p9 |實(shí)驗(yàn)結(jié)果和性能分析
2 R0 W( ?( J$ l- Z3 O; b. 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(shí)驗(yàn),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。
) X# Z) q4 d8 H7 f; D$ w4 E
實(shí)驗(yàn)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(kuò)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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7 p! G, W0 |% D7 v7 [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。
( {. a* ^* z+ E$ l& I3 ?
; T6 k6 z- {, \; q9 t: k' l- K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
6 W$ N5 @+ I6 V. r$ B: r5 w- Z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:
" _3 k7 m5 W! `6 I

安全性證明:擴(kuò)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(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
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9 Z; z0 v2 B8 c) {  _  F結(jié)論
這個(gè)以10 GBaud符號速率運(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。


參考文獻(xiàn)
: x8 H6 R+ Z& q0 Z# B9 [  R3 k+ d$ E[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.
; S  v! W) c! w; y# R+ H

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