作者简介
钱懿
中国信息通讯科技集团光纤通讯技术和网路国家重点实验室光量子技术科长工程师，博士，主要从事基于硅光集成芯片和三五族集成芯片的量子通讯系统构架设计工作。
胡晓
国家信息光电子创新中心中级工程师，博士，主要从事硅基异质集成调制器、锗硅侦测器、锗硅雪崩光电侦测器以及量子秘钥分发调制器硅光芯片的研究工作。
王磊
中国信息通讯科技集团光纤通讯技术和网路国家重点实验室硅光研究室处长，中级工程师，博士，主要从事硅基高速光通讯芯片、器件的研究和产业化工作。
肖希
国家信息光电子创新中心总总监，博士，主要从事硅基光电子集成和高速光调制技术研究工作，重点举办面向光通讯应用的高速硅光芯片和元件产品的研发工作。
论文引用格式：
钱懿,胡晓,王磊,等.量子秘钥分发集成光学芯片技术进展[J].信息通讯技术与新政,2021,47(7):32-38.
量子秘钥分发集成光学芯片技术进展
钱懿1胡晓2王磊1肖希2
（1.中国信息通讯科技集团光纤通讯技术和网路国家重点实验室，上海；2.国家信息光电子创新中心，北京）
摘要：集成光学芯片技术的快速发展，对量子秘钥分发设备的商用起到了推动作用，因此有必要研究一种务实的量子秘钥分发所用的芯片元件发展路径。剖析了用量子秘钥分发的集成光学芯片的学术界和工业界研究进展，重点介绍了基于硅基光电子平台和三五族光电子平台上的相关研究进展，并对量子秘钥分发被集成光学芯片技术赋能后的产品形态给出了观点。
关键词：量子秘钥分发；离散变量；连续变量
中图分类号：O413；TN918文献标示码：A
引用格式：钱懿,胡晓,王磊,等.量子秘钥分发集成光学芯片技术进展[J].信息通讯技术与新政,2021,47(7):32-38.
doi：10.12267/j.issn.2096-5931.2021.07.005
0序言
量子秘钥分发（Key，QKD）从1984年诞生至今，早已发展了37年。其依赖的光电子产业链上游，正经历着光子集成回路（，PIC）技术的迅猛发展，因而对量子秘钥分发设备的低成本商用起到了一定的推动作用。量子秘钥分发产品的发展，是全功能单片集成，亦或是每种功能芯片分而治之各自做小做低成本，哪条路径最务实值得业界思索。
1量子秘钥分发的背景
量子秘钥分发的概念是由科学家H.和在1984年提出[1]，即在量子热学所描述的二维希尔伯特空间中，构造出两组不正交的基（Basis），在每位基内定义bit0和bit1，进行随机数的制备、传输、探测（见图1）。该方式后被业界称之为BB84合同，其信息论安全性也得到了证明[3]。一般BB84合同的QKD系统，发端须要制备布洛赫（Bloch）球面上所对应的起码两个基所包含的量子态，比如Z基的量子态和X基的量子态（见图2）锗与量子通讯，接收端采用基矢选择检测光路，配合单光子侦测器，获得最终的侦测结果，再由后处理过程提取出安全的等同秘钥。因为BB84合同的侦测结果是有限个数的风波组合，也被称为离散变量量子秘钥分发（-Key，DV-QKD）。以后，别的种类的量子秘钥分发合同，也陆续被提出，比如基于光场的正则份量的连续变量量子秘钥分发（-Key，CV-QKD），基于相邻光脉冲相位关系的分布式相位参考量子秘钥分发（-Phase-Key，DPR-QKD），具体可见文献[3]。
图1BB84合同的简略流程[2]
图2BB84合同QKD所制备的量子态在Bloch球上的表示
随着QKD技术从实验室迈向商用化设备的发展，世界范围内各个国家也出现了QKD实验网路的报道，其中典型的案例是我国的沪宁QKD干线以及布署在该干线重要节点城市内的QKD城域网路[4]。关于QKD传输距离的阻碍，可通过可信中继方法解决。随着这么多节点的QKD网路的出现，以及在核心站点内布署多套QKD设备作为扩容和主备的需求，则展现了当前商用QKD设备的容积和成本问题（见图3）。于是，QKD设备大型化、低成本化的诉求也骤然出现。
图3沪宁干线QKD设备的容积和占用机柜的空间[4]
2传统大容积分立元件的QKD典型方案
2.1偏振光态编码BB84合同QKD
在QKD系统发端须要的核心能力包括：相位随机化脉冲光源、强度调制单元、偏振调制单元；在QKD系统收端须要的核心能力包括：50:50分束器、偏振分束器、电偏振光控制器、单光子侦测器。文献[4]列出了高重频（625MHz）和低重频（40MHz）QKD系统的方案。表1对这两种方案的工作原理和好坏做了探讨，可见这两种方案下的光学器件，都要占用较大容积，成本也比较大。
表1偏振光BB84合同QKD的高重频和低重频系统实现方法对比
2.2时间—相位编码BB84合同QKD
对于使用了引诱态方式的时间—相位编码BB84合同QKD系统，在发端须要具备的核心能力有：相位随机化的脉冲光源、强度调制器、一个附送了相位调制能力的不等臂干涉仪（Mach，AMZI）；在收端须要具备的核心能力有：和发端匹配的AMZI、单光子侦测器（门控式或则自由运转式）。其中，核心元部件AMZI以分立元件来实现的形态为多模保偏光纤加工制做（见图4）。诸如，富士通公司所研制的系统就采用了这些方案，其所研发的AMZI具备了低耗损的特性，缺点是规格大，且须要采取额外手段来补偿AMZI的相位飘移，比如图5所示的光纤伸缩器（Fiber，FS）。NEC公司为了解决AMZI制做的困局，采用了氢氧化铝平面光波导（，PLC）技术，其所构成的时间—相位编码BB84合同QKD系统，采用了两个延时宽度匹配的PLC材料AMZI（见图5），该类方案相比光纤型AMZI改善了加工难度，但因为PLC材料是纯无源的波导技术，未能实现快速的相位调制能力，通常多用于功率分配、波分复用、延时线等场景，加上PLC-AMZI还须要良好的控温技术来确保相位的稳定性，该技术面对QKD中复杂的光路需求，尚有一定的差别。
图4富士通公司基于光纤AMZI的时间—相位编码BB84合同QKD[5]
图5NEC公司基于氢氧化铝平面光波导AMZI的时间—相位编码BB84合同QKD[6]
2.3随路本振型CV-QKD
典型的随路本振型CV-QKD系统如文献[7]和图6所述，须要在发端同源形成量子讯号和本振光，但是在时间和偏振光自由度上复用，促使该系统首先具备高消光比的脉冲能力，典型的则须要2只载流子调制器级联形成脉冲，量子讯号调制还须要利用1只载流子硬度调制器和1只载流子相位调制器级联来实现。其实该类系统相较于DV-QKD系统，无需高温制热的单光子侦测器而采用普通的低噪音光电侦测器，增加了收端的元件门槛，但因其整体光路的复杂性和体块式载流子调制器本身的成本，造成随路本振型CV-QKD系统的整体成本一直较高。
图6随路本振型CV-QKD[7]
3用于QKD的集成光学芯片研究进展
3.1基于偏振光编码的BB84合同QKD集成光学芯片研究进展
偏振光态的调制，可以从偏振光模式的调控入手来实现，通常任意偏振光态可以分解为TE模式和TM模式，并附送这两个模式的相位差。硅基芯片上的2×2MZ结构调制器，被用作实现两个输出端口的光功率分配，以实现TE模式和TM模式的功率差，之后通过相位调制器和二维光栅（甚或是偏振光合成旋转）结构，将其中一路端口的光偏振光不变输出，另一路端口的光偏振光旋转90°输出，因而可以合成任意的偏振光态。该构架的硅光芯片早已被多个工作组研发实现，比如英国伦敦学院[8]、英国曼彻斯特学院[9]、美国桑迪亚国家实验室[10]、美国麻省理工大学[11]。该硅基偏振光调制器通过等离子色散效应的电光调制器，可以实现1GHz以上调制频度，偏振光消光比达到25dB以上，满足高速偏振光编码BB84合同QKD的应用。在我国，由国家信息光电子创新中心研发的基于离子色散效应调制结构的硅光偏振光态调制器，也达到了上述几个单位所研发芯片的等同性能。
应用了1.25GHz高速硅光偏振光调制器的检测设备无关QKD系统链路实验，在文献[12]中也被报道，该工作由中国科学技术学院徐飞虎课题组完成，如图7所示，该实验系统，在发端应用了硅光偏振光调制器，该调制器芯片封装后的元件长宽规格仅和一枚一元人民币硬币相当；在实验系统的收端，采用了分立元件（如偏振光控制器、偏振分束器、功率分束器、超导单光子侦测器）搭建的偏振光态检测光路，在未来，收端的光路也具备芯片化的可能性。
图7应用了硅光偏振光调制器的检测设备无关QKD系统实验[12]
3.2基于时间—相位编码方法QKD的集成光学芯片研究进展
时间—相位自由度被用于BB84合同QKD以及分布式相位参考QKD（COW、DPS）。文献[13]报道了美国普利茅斯学院磷化铟（，InP）平台上的集成QKD发射器，包含激光器、脉冲调制器、相位随机化调制器、时间—相位态调制器，可以灵活地调制BB84、COW、DPS合同所对应的量子态。对应的接收机，则设计成利用氮氧化硅材料的可调节延时AMZI结构，可以对应地解码BB84、COW、DPS合同的量子态，最后采用超导单光子侦测器进行侦测。
在文献[14]中，海思半导体介绍了硅光时间—相位调制器、氮化硅时间—相位译码器芯片，其中译码制芯片采用被动式解码结构，去不仅高耗损的电光调制器，并讨论了气温变化引起的AMZI相位甩尾以及对应的补偿算法，系统的激光器、偏振控制器、超导单光子侦测器则采用分立器件。
3.3随路本振CV-QKD硅光芯片实验进展
文献[15]报道了美国南洋理工学院的随路本振CV-QKD硅光芯片实验，该芯片的特征是在发射端将量子讯号调制在频度边带，致使讯号和本振的自由度复用只须要偏振光自由度复用即可，无需额外的时间自由度复用,即无需降低芯片内的延时线，简化了芯片的设计。该芯片得益于成熟的锗—硅光电侦测器工艺，可以将侦测器单片集成在硅基上，相较于目前报道的DV-QKD和DPR-QKD接收侧芯片仍需内置的单光子侦测器，集成度有一定优势。受限于CV-QKD自身的安全性模型限制，该实验的系统级传输耗损在16dB，相较DV-QKD普遍可以承受20dB链路耗损的能力，稍显逊色。另外须要注意的是，QKD的整体成本不仅光学芯片元件，还有热学芯片，CV-QKD因为须要数字讯号处理（，DSP），在热学芯片的成本上比DV-QKD略高一些。
4采用了芯片化方案的QKD系统的未来趋势剖析
基于第3章的描述可以发觉，业内在DV-QKD领域最热点的研究是基于硅光芯片的偏振光态调制器技术，应用于偏振光BB84合同QKD的发射端或则检测设备无关QKD的发射端，这其中包含了单模干涉仪、热光调制器、电光调制器、二维光栅、偏振旋转耦合器等一系列无源和有源元件的结合，技术门槛较高，而刚好又能发挥硅光在无源元件和有源元件上丰富的元件库以及大规模集成能力，惟一美中不足的是硅材料平台异质集成激光器目前还处于前沿研究阶段。而基于时间—相位调制方法的DV-QKD关键集成光学芯片，以及CV-QKD的关键集成光学芯片，目前报道的研究工作相对较少。在基于三五族平台的QKD关键芯片方面，较少的单位在研发单片集成激光器的时间—相位编码BB84芯片，比如美国普利茅斯学院的工作[13]。对于QKD的接收端的关键芯片，目前业内出现的研究尚少，比如文献[10]中提及的偏振光态译码硅光芯片。面对DV-QKD的应用需求，业内也出现了大型化集成制热封装的单光子侦测器产品（比如上海光迅科技的相关产品），即使不是大规模集成芯片式的产品，但在减少QKD设备的容积上，起到了很显著的推动作用。表2对上述几类QKD集成光学芯片和元件在未来QKD系统中的发展趋势做了总结归纳。
表2几类QKD集成光学芯片和元件的未来发展趋势
5结束语
量子秘钥分发设备所依赖的是光电子产业链上游，可以借鉴一下光通讯行业里标准化光模块的演化发展，即光模块通常是由光芯片、电芯片以及光学子组件（Sub，OSA）构成。以DV-QKD为例，可以将激光器和硅光调制器收纳步入光学模组，产生DV-QKD发射模组；将硅光译码器和大型化封装的单光子侦测器收纳步入光学模组，产生DV-QKD接收模组。对DPR-QKD和CV-QKD，也是同理。这样的发展方向，可以充分地激活光电子产业链，使硅光芯片研发团队、三五族芯片研发团队、光元件封装研发团队、光模组研发团队都发挥最大的能力锗与量子通讯，迅速增加QKD系统设备的成本。
参考文献
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offorkey
QIANYi1,HUXiao2,WANGLei1,XIAOXi2
(1.StateKeyofand,ChinaandGroup(CICT),Wuhan,China;2.,Wuhan,China)
:Therapidofhastheuseofkey.Itistostudyarouteforthechipofkey.Thispapertheandofchipsforkey,ontheon-basedandIII-V-based.Thisalsogivesaviewontheformafterkeybythechip.
:QKD;DV-QKD;CV-QKD
本文刊于《信息通讯技术与新政》2021年第7期
承办：中国信息通讯研究院
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