Optica更新 | 基于集成光电子接收机的高速连续变量量子密钥分发

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引言
! R# `6 i7 Y- h, t2 n( p& Z量子密钥分发(QKD)已成为量子时代安全通信极具前景的技术。在各种QKD实现方案中,连续变量量子密钥分发(CV-QKD)因其与现有电信基础设施的兼容性而备受关注。本文将探讨CV-QKD的最新进展,重点介绍一个基于集成光电子接收机实现前所未有的密钥生成速率的突破性系统[1]。

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4 d' j% R3 }$ [5 z$ B4 g0 n' J2 A
# L! m0 p2 W: }) M6 [CV-QKD简介
CV-QKD是量子密码协议,利用光的连续自由度(如电磁场的振幅和相位正交分量)来编码信息。与离散变量QKD相比,这种方法具有更高的密钥速率和与标准电信组件的兼容性等优势。
' m% S3 V0 S/ }! U5 C: h- p
) X; D9 l+ j7 V9 t在典型的CV-QKD系统中,发送方(Alice)使用正交调制器准备相干量子态,并通过不安全的量子信道将其发送给接收方(Bob)。Bob使用相干探测技术(如外差探测或零差探测)测量接收到的量子态。系统的安全性依赖于固有的量子噪声以及窃听者(Eve)无法同时完美测量两个正交分量的特性。
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7 _  X, y" t( @. s5 ^" a4 B% t* ~图1展示了高速CV-QKD系统的设置,说明了发送方(Alice)和接收方(Bob)两侧的关键组件。

高速CV-QKD系统的关键组件
' y( ~8 L5 X3 \9 T3 A0 p1. 发送方(Alice):

连续波(CW)激光器:提供稳定的光源

IQ调制器:在边带频率生成相干态

可变光衰减器(VOA):控制调制方差

任意波形发生器(AWG):驱动IQ调制器

数字信号处理(DSP)流程:准备量子态并补偿系统不完善之处

# g0 t! w8 x) s) N4 \! X2. 量子信道:

标准单模光纤(SSMF):在Alice和Bob之间传输量子态
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6 _; {" k; h% b* r- y3. 接收方(Bob):
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本地振荡器(LO):用于内差检测的自由运行CW激光器

集成相分集接收机:结合硅基光电子和定制设计的跨阻放大器(TIAs)

实时示波器(RTO):对接收到的信号进行数字化

DSP程序:恢复量子符号并进行相位校正
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- \3 m; x' e- t& d4 \: W集成光电子接收机
, Z1 q' W! g2 _% {2 O% v! K高速CV-QKD系统的关键创新是集成光电子接收机。这个组件将硅基光电子集成芯片(PIC)与定制设计的GaAs pHEMT跨阻放大器(TIAs)相结合。
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图2说明了光电子集成芯片的示意设计,展示了各种组件,如光栅耦合器、多模干涉仪(MMIs)和平衡零差探测器。

使用imec的iSiPP50G硅基光电子平台设计的光电子集成芯片包括以下元件:
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光栅耦合器:用于将光耦合到芯片中

多模干涉仪(MMIs):用于分离和合并光信号

波导加热器:确保测量的正交分量之间有90°相移

平衡零差探测器:由马赫-曾德尔干涉仪(MZIs)和光电探测器组成

采用100 nm GaAs pHEMT工艺实现的定制设计TIAs具有三级核心放大器设计,可提供更高的跨阻值和更低的电子噪声。这些组件的集成结果是一个紧凑、高性能的接收机,其量子噪声限制带宽超过20 GHz。

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9 c8 |# k. B8 b( o; S: f图3显示了集成接收机组件的显微照片,包括光电子集成芯片(PIC)和两个跨阻放大器(TIA)芯片。
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' o8 E) Q) u$ M; p# d8 u& l高速操作的数字信号处理
为实现10 GBaud的高速操作,精心设计数字信号处理(DSP)流程至为重要。用于量子态准备的DSP程序包括以下步骤:
1.随机数生成
2.概率星座整形(PCS)
3.上采样
5 l  q1 R, n" p& O( e4.脉冲整形
5.预加重滤波
, i$ o* l& J) P# }& J1 B7 m6.导频音添加

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图4说明了GBaud CV-QKD系统的DSP程序,展示了发送方和接收方两侧的各种处理步骤。
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" ~. d  _# \4 ^; {# R" k3 q# J预加重滤波对于补偿发送器的高频衰减特别重要,确保生成的量子态在整个信号带宽内保持完整。

在接收方,用于量子符号恢复的DSP程序包括:
% @! N1 t* P, ?3 a1.数字后均衡(白化滤波)
9 F1 P. J! z3 \' |2.导频音频率估计
3 C- t4 z! k) P+ A* s3.基带转换
4.相位校正
5.时间偏移计算
6.匹配滤波和下采样
7.残余相移校正
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安全性分析和调制格式
CV-QKD协议的安全性基于态制备的等效纠缠基表示。在这项工作中,研究人员采用了离散调制(DM)CV-QKD协议,该协议使用有限集合的相干态,而不是连续的高斯分布。
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用于正交幅度调制(QAM)的三种星座格式:

16-QAM

32-QAM

64-QAM
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$ `7 g# z  w$ Z% S图5显示了实验中使用的16、32和64 QAM调制格式的星座概率分布。

/ \$ q7 S. b) T( l8 ^; |0 A每种星座格式都由其调制方差和指定概率来表征,这些参数经过优化以最大化密钥生成速率。调制格式的选择影响系统的性能,较高阶的星座格式通常以增加复杂性为代价提供更高的密钥生成速率。

实验结果和性能分析
研究人员使用高速CV-QKD系统在5公里和10公里的光纤距离上进行了实验,对每种调制格式采用8 GBaud和10 GBaud的符号速率。

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% S8 d% W" A/ c* ^5 N图6显示了不同调制格式和符号速率下,渐近安全密钥速率随光纤长度的变化。
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实验的主要发现包括:

最高密钥生成速率:使用64-QAM调制在5公里光纤信道上达到0.92 Gb/s

性能比较:由于更高的基数和更低的额外噪声,64-QAM的性能优于16-QAM和32-QAM

距离扩展:理论预测表明,16-QAM可达到85公里的安全距离,64-QAM可超过150公里


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) c1 @) M2 H7 ^0 b7 G图7显示了不同调制格式下密钥速率对信道损耗和额外噪声的依赖关系。

4 T& p, e: r  N结果表明,64-QAM的DM CV-QKD协议性能接近连续高斯调制协议(GG02),突显了离散调制在高速QKD系统中的潜力。

挑战和未来方向
尽管这项工作代表了CV-QKD技术的重大进展,但仍存在一些挑战和改进机会:
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安全性证明:扩展针对任意调制模式的一般攻击的可组合安全性证明

系统稳定性:通过将光纤连接到光电子芯片来提高稳定性

符号速率提高:解决模数转换器(ADCs)中的交错杂散问题,以充分利用接收机的带宽

距离扩展:减少与激光相位噪声相关的额外噪声

发送器集成:实现高速集成发送器,提高技术成熟度

实时操作:集成超快量子随机数生成和高速实时DSP模块

& v/ w) w1 i  N6 k1 `结论
这个以10 GBaud符号速率运行并实现超过0.7 Gb/s密钥生成速率的CV-QKD系统代表了量子通信技术的一个重要里程碑。通过利用集成光电子接收机和先进的数字信号处理技术,这项工作为实用、高性能的QKD系统奠定了基础,能够满足未来量子安全网络的需求。

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参考文献
[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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