基于时间槽纠缠的量子密钥分发技术

逍遥设计自动化

引言
, T4 ~& h: E# T( R* f9 Z量子通信领域最近取得了重大突破，研究人员开发出一种使用时间槽纠缠光子实现量子密钥分发（QKD）的新方法。这项创新技术为在标准光纤基础设施上实现实用化的量子通信网络提供了有力的技术支持[1]。

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时间槽纠缠的基本原理
6 K+ G! ]" h- C1 U% P3 I1 p时间槽纠缠是光纤网络中量子通信的有效方法。在这种方案中，光子对被创建在不同时间段或"时间槽"的叠加态中。时间槽纠缠态具有多个优势，包括与光纤系统的天然兼容性，以及在光纤传输过程中对退相干的抵抗能力。
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& \4 _5 G; J& d/ V& Y8 m图1：展示了片上时间槽纠缠量子系统的生成过程，包括级联干涉仪和螺旋波导用于生成高维量子态的集成光子平台。
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核心创新在于开发出光纤尾纤型集成光子平台，能够在电信C波段生成和处理皮秒间隔的时间槽纠缠量子系统。该系统使用片上干涉测量系统，实现了对量子态的精确控制和操纵。
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7 k! }& [9 x6 z' \系统架构与实现
+ H* }6 m7 E% t) H) ~实验装置由多个关键组件协同工作，用于生成和处理量子态。核心部分是片上干涉级联（OIC）和45厘米长的螺旋波导的组合。与传统的自由空间光学系统相比，这种集成方案在稳定性和可扩展性方面具有显著优势。
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图2：4级和8级纠缠量子态的量子态生成和处理示意图，展示了系统同时处理多个量子态的能力。

; ^0 Z; k8 L7 S1 ]) }! B系统通过螺旋波导中的自发四波混频产生光子对。时间槽间隔可以在皮秒尺度上精确控制，使运行速度可与标准电信系统（数十GHz）相媲美。这比以前受限于较低速度的实现方案有了显著提升。
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  F9 P5 M/ }' U4 @量子态表征
研究团队在量子态保真度和纠缠质量方面展示了令人印象深刻的结果。通过仔细表征，研究人员实现了高可见度的量子干涉，并验证了真实的高维纠缠的产生。

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图3：4级和8级纠缠量子态的量子干涉和量子态层析结果，展示了高保真度的量子态生成和测量。

系统成功演示了Bennett-Brassard-Mermin 1992（BBM92）QKD协议与时间槽纠缠量子态的结合，在60公里光纤链路上实现了安全密钥分发。这展示了高维量子通信在城市规模量子网络中的实用性。
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图4：使用时间槽纠缠量子态的BBM92方案的性能指标，比较了不同维度实现方案，展示了系统在各种传输距离下的性能。
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性能与实际应用
该系统实现了多个重要的性能指标，使其特别适合实际应用。量子比特错误率（QBER）保持在安全通信可接受的范围内，同时实现的密钥生成速率与现有系统相当，还在每个信道的信息容量方面提供了额外优势。
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6 ~# K# _9 k* s, A; ~8 t最显著的成就之一是能够在高重复率下运行而不牺牲量子态的维度。这意味着增加每个光子态的时间槽数量不需要降低系统的重复率，这解决了之前实现方案中的一个主要限制。
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5 G2 P# h6 Z: ~, t& n: J未来发展与挑战
  b: l2 d. f) u/ W目前的实现已经取得了重大进展，但仍有挑战需要解决。通过发展单光子探测器技术，特别是减少时间抖动，系统性能可以进一步提高。此外，直接在芯片上集成有源相位控制元件可以降低系统复杂度并提高稳定性。
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这个演示平台为实现QKD之外的各种量子通信协议提供了新的可能。在紧凑、集成的平台上生成和操控高维量子态的能力，可以促进量子隐形传态、超密编码和其他量子信息处理任务的应用。

这项研究为可与传统电信基础设施共存的实用量子通信网络提供了重要技术支持。系统展示出在电信速度下生成和处理时间槽纠缠量子态的能力，加上与现有光纤基础设施的兼容性，表明量子通信系统有望得到广泛应用。

9 Y6 t5 g% e9 U1 |4 I, K, X参考文献
[1] H. Yu et al., "Quantum key distribution implemented with d-level time-bin entangled photons," Nature Communications, vol. 16, no. 171, pp. 1-10, Jan. 2025, doi: 10.1038/s41467-024-55345-0.
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