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
' y. M0 h, r2 s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]。



3 b* q. R% ?( s! L
CV-QKD簡介
2 o" F  @' m0 N  ]: O; WCV-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)無法同時完美測量兩個正交分量的特性。

7 Y4 r4 f4 m; z! @+ ^0 b0 m8 \5 S4 y
2 l- p0 [; J7 H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。

$ N( T( Z" }( y$ t- q; ~' l# n/ _高速CV-QKD系統(tǒng)的關(guān)鍵組件
9 z& g3 L) r/ N/ O0 J1. 發(fā)送方(Alice):
  ]8 M, m: R& ]9 T+ x

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

+ K' s$ R  {7 [5 s5 h0 N2. 量子信道:
  K) W- p; C6 i; u

標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SSMF):在Alice和Bob之間傳輸量子態(tài)
* b$ L. Y$ z' C0 W2 s$ Y
$ c3 F+ Q' w* v$ m3. 接收方(Bob):
- z& w! o3 y( Z4 [( q$ i

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

! o3 x6 s! m& C; P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。

8 f& C% q8 H1 M& W
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:
! D1 i$ M- C" |% q' A

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。
  p+ t* m$ ~! K3 W6 T8 e
6 _# E, H; E6 }+ _) S4 R  R
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。

: _9 k4 F5 o" H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:
" W- o3 J. P( N- d( O! @9 \& x+ Z1.隨機數(shù)生成
2.概率星座整形(PCS)
5 Z" O  p! _/ }* _! \* G3.上采樣
8 T3 D0 L: G$ \* f  x7 c! c4.脈沖整形
* O5 O8 q/ m) N8 y% w1 \5.預(yù)加重濾波
6.導(dǎo)頻音添加
$ |3 B9 x' b$ s/ s4 i* _
3 j6 d9 R+ O! p4 m6 y# |& H
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。

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。

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)
( t7 m: j, j8 a' x4 U2.導(dǎo)頻音頻率估計
3.基帶轉(zhuǎn)換
7 s( n$ o* Q' {% N# p/ b4.相位校正
7 q1 J( |2 l2 s8 N8 {- ~8 e$ Z5.時間偏移計算
1 [" D9 o; s7 H  ^6.匹配濾波和下采樣
! Y# B- Z0 c- M/ u, d7.殘余相移校正
- ~; d+ M: z' ~8 b2 r- l! z
( P3 F9 ^" J5 o% N& V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。

8 o) x6 E* l3 K8 t9 c% k: U用于正交幅度調(diào)制(QAM)的三種星座格式:

16-QAM

32-QAM

64-QAM
' ^& e( P# j9 y9 a: N
. y7 u2 N* _) l$ G4 j; K6 `/ A

0 V; r. R5 p1 B9 O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。
5 F( I0 w& Q7 c% f) |
8 Z- F7 Y* X) E* W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 q2 w, F8 l& ]
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。
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. N* f7 E! u9 H9 ~3 [2 [, w( @4 i  }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。
& _5 H& W: O+ E- h
) Q0 e: t# _2 w! e* c2 a" n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



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。
" h! g% k) }+ J1 t0 ?
* M9 ?- o' {  s4 n/ {8 l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
) r, e: A) }+ k+ }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

9 B/ ?3 h; ~1 q) B0 d! h3 n" e結(jié)論
0 [4 O8 O0 L0 E0 ^2 a# K( L9 ~6 u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。

' x) e6 G/ w  q" X7 W( N; ^# t
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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  ^: L& q, q& l7 @. A5 g! d6 O+ r深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

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