【產(chǎn)通社，11月24日訊】南京大學(xué)（Nanjing University）官網(wǎng)消息，物理學(xué)院馬小松、祝世寧團(tuán)隊，聯(lián)合電子科學(xué)與工程學(xué)院張蠟寶、吳培亨團(tuán)隊和中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院蔡鑫倫團(tuán)隊，首次利用超導(dǎo)-硅基雜化芯片實現(xiàn)了測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)（MDI-QKD）系統(tǒng)。該團(tuán)隊利用硅基波導(dǎo)集成的超導(dǎo)單光子探測器的高速響應(yīng)特點(diǎn)，首次實現(xiàn)了時間片編碼的最優(yōu)貝爾態(tài)測量，結(jié)合時間復(fù)用技術(shù)，在125 MHz時鐘頻率下得到了目前全球MDI-QKD實驗~20dB信道損耗下的最高密鑰率。其他信道損耗下實驗結(jié)果與當(dāng)前~GHz時鐘頻率的實驗結(jié)果相當(dāng)。該工作為城域量子通信網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)奠定了重要基礎(chǔ)。

量子密鑰分發(fā)的安全性來源于量子物理中的不可克隆原理，理論上是一種絕對安全的通信方式。但由于實驗系統(tǒng)的不完美，在實際量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中存在潛在攻擊漏洞，特別是黑客可以利用強(qiáng)光致盲等技術(shù)攻擊光子探測接收端。測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)移除了所有針對探測器端的安全漏洞，是目前城域高安全等級量子密鑰分發(fā)的最優(yōu)方案之一。量子光學(xué)芯片平臺是一個實現(xiàn)低成本、可擴(kuò)展、基于不可信中繼量子通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化解決方案。

該團(tuán)隊利用超導(dǎo)-硅基雜化集成芯片實現(xiàn)了測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的關(guān)鍵功能單元—量子通信服務(wù)器。在器件層面，利用超短死時間的波導(dǎo)集成超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD），實現(xiàn)了時間片編碼下最優(yōu)貝爾態(tài)測量，提高了量子通信的安全碼率；利用高效率的光子晶體光柵大大減小了光纖到芯片的損耗。本項工作實現(xiàn)了在125MHz時鐘頻率及24.0dB損耗（約一百公里光纖通訊距離）下得到了6.17kbps的安全密鑰率。另外，在44.0dB損耗（約兩百公里距離）下得到了34bps的安全密鑰率。該結(jié)果以小一個數(shù)量級的時鐘頻率實現(xiàn)了與當(dāng)前全球最先進(jìn)的~GHz時鐘頻率的實驗結(jié)果相當(dāng)?shù)陌踩荑�率，大幅度降低了發(fā)端設(shè)備的復(fù)雜性，展現(xiàn)了芯片終端的優(yōu)勢。

該芯片化的量子通信中繼服務(wù)器具有尺寸小、高速時間響應(yīng)和可擴(kuò)展空間大等優(yōu)點(diǎn)。未來通過拓展更多的片上結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)集成超導(dǎo)單光子探測器構(gòu)成高安全等級的量子通信終端，用戶僅需要使用微型的發(fā)射器接入到光纖中，可以實現(xiàn)一個完全基于芯片、可擴(kuò)展、低成本、高密鑰率、高安全性的城域量子網(wǎng)絡(luò)。

相關(guān)研究工作以"Heterogeneously integrated, superconducting silicon-photonic platform for measurement-device-independent quantum key distribution"為題發(fā)表在期刊《Advanced Photonics》[DOI: 10.1117/1.AP.3.5.055002]上。南京大學(xué)物理學(xué)院博士生鄭曉冬為文章第一作者，張佩瑜、葛仁友、陸亮亮、何廣龍、陳奇為共同一作。南京大學(xué)馬小松教授、張蠟寶教授和中山大學(xué)蔡鑫倫教授為論文的通訊作者，南京大學(xué)祝世寧院士、吳培亨院士和陸延青教授對本工作進(jìn)行深入指導(dǎo)。該項研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、南京大學(xué)卓越計劃、國家實驗室量子通信計劃、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項等基金項目的資助。此項研究工作得到南京大學(xué)物理學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實驗室和人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心支持。

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