近日，南京大学物理学院马小松、祝世宁团队，联合电子科学与工程学院张蜡宝、吴培亨团队和中山大学电子与信息工程学院蔡鑫伦团队，首次利用超导-硅基杂化芯片实现了测量设备无关量子密钥分发（MDI-QKD）系统。该团队利用硅基波导集成的超导单光子探测器的高速响应特点，首次实现了时间片编码的最优贝尔态测量，结合时间复用技术，在125 MHz时钟频率下得到了目前全球MDI-QKD实验~20 dB信道损耗下的最高密钥率。其他信道损耗下实验结果与当前~GHz时钟频率的实验结果相当。该工作为城域量子通信网络的实现奠定了重要基础。
图一：基于超导-硅基杂化芯片的量子通信服务器概念图。
量子密钥分发的安全性来源于量子物理中的不可克隆原理，理论上是一种绝对安全的通信方式。但由于实验系统的不完美，在实际量子密钥分发系统中存在潜在攻击漏洞，特别是黑客可以利用强光致盲等技术攻击光子探测接收端。测量设备无关量子密钥分发移除了所有针对探测器端的安全漏洞，是目前城域高安全等级量子密钥分发的最优方案之一。量子光学芯片平台是一个实现低成本、可扩展、基于不可信中继量子通信网络的优化解决方案。
图二：（a）利用超导-硅基杂化芯片实现测量设备无关量子密钥分发的量子通信服务器；（b）通过相消和相长的双光子干涉现象，探测贝尔态；（c）不同损耗下的安全密钥率以及与GHz时钟频率实验的结果比较。
该团队利用超导-硅基杂化集成芯片实现了测量设备无关量子密钥分发系统中的关键功能单元—量子通信服务器（图二(a)）。在器件层面，利用超短死时间的波导集成超导纳米线单光子探测器（SNSPD），实现了时间片编码下最优贝尔态测量（图二(b)），提高了量子通信的安全码率；利用高效率的光子晶体光栅大大减小了光纤到芯片的损耗。本项工作实现了在125 MHz时钟频率及24.0 dB损耗（约一百公里光纤通讯距离）下得到了6.17 kbps的安全密钥率。另外，在44.0 dB损耗（约两百公里距离）下得到了34 bps的安全密钥率（图二(c)）。该结果以小一个数量级的时钟频率实现了与当前全球最先进的~GHz时钟频率的实验结果相当的安全密钥率，大幅度降低了发端设备的复杂性，展现了芯片终端的优势。
该芯片化的量子通信中继服务器具有尺寸小、高速时间响应和可扩展空间大等优点。未来通过拓展更多的片上结构和波导集成超导单光子探测器构成高安全等级的量子通信终端，用户仅需要使用微型的发射器接入到光纤中，可以实现一个完全基于芯片、可扩展、低成本、高密钥率、高安全性的城域量子网络。
相关研究工作以"Heterogeneously integrated, superconducting silicon-photonic platform for measurement-device-independent quantum key distribution"为题发表在期刊《Advanced Photonics》[DOI: 10.1117/1.AP.3.5.055002]上。南京大学物理学院博士生郑晓冬为文章第一作者，张佩瑜、葛仁友、陆亮亮、何广龙、陈奇为共同一作。南京大学马小松教授、张蜡宝教授和中山大学蔡鑫伦教授为论文的通讯作者，南京大学祝世宁院士、吴培亨院士和陆延青教授对本工作进行深入指导。该项研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、南京大学卓越计划、国家实验室量子通信计划、中央高校基本科研业务费专项等基金项目的资助。此项研究工作得到南京大学物理学院、固体微结构国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心支持。
课题组链接：https://qoqi.nju.edu.cn
文章链接：http://www.researching.cn/EN/Article/OJ44bd77e306d103ef