用于量子通信的超导硅光子芯片

集成量子光子学(IQP)是实现可扩展和实用的量子信息处理的一个有前途的平台。到目前为止，大多数IQP演示都集中在提高基于大块和光纤组件的传统平台的实验稳定性、质量和复杂性上。一个更苛刻的问题是：“IQP能否进行传统技术无法实现的实验？”

这个问题在南京大学的马晓松、中山大学的张建宝和蔡新伦领导的团队中得到了明确的回答。据《先进光子学》报道，该团队使用基于硅光子学的芯片和超导纳米线单光子探测器(SNSPD)来实现量子通信。该芯片的优异性能使他们能够实现最佳的时间-bin贝尔态测量，并显著提高量子通信中的密钥速率。

单光子探测器是量子密钥分发(QKD)的关键部件，非常适合光子芯片集成实现实用化、可扩展的量子网络。利用集成光波导SNSPD独特的高速特性，与传统的正入射SNSPD相比，单光子探测的死时间减少了一个数量级以上。这反过来使该团队能够解决量子光学中长期存在的挑战之一：时间编码量子位的最佳贝尔态测量。

这一进展不仅从基础角度对量子光学领域具有重要意义，从应用角度对量子通信也具有重要意义。利用异构集成超导硅光子平台的独特优势，团队实现了独立于测量设备的量子密钥分发(MDI-QKD)服务器。这有效地消除了所有可能的检测器端信道攻击，从而显著增强了量子密码的安全性。结合时分复用，该方法实现了MDI-QKD键控速率的一个数量级的提高。

通过利用这种异构集成系统，该团队获得了时钟速率为125 MHz的高安全密钥速率，可与时钟速率为GHz的最先进的MDI-QKD实验结果相媲美。“与GHz时钟速率MDI-QKD实验相比，我们的系统不需要复杂的注入锁定技术，大大降低了发射机的复杂度，”马研究组博士生、《Advanced》第一作者说。光子纸。

“这项工作表明，集成量子光子芯片不仅提供了一种小型化的方式，而且与传统平台相比，显著提高了系统性能。结合集成的QKD发射机，一个完全基于芯片的、可扩展的、高性能的城市量子网络将在不久的将来实现，”马说。