科学家们悉心设计了一个扎根于集成光子学的量子秘钥分配（QKD）系统，容许先前所未有的速率传输安全的秘钥。这种初步的概念验证实验是向这些高度安全的通讯技术的实际布署迈出的重要一步。QKD是一种成熟的技术，用于创建远程实体之间受保护通讯的保密秘钥，借助光的量子属性来创建安全的随机秘钥，那些秘钥被用于加密和揭秘数据。
研究人员开发了一种基于硅光子学的量子秘钥分配（QKD）系统，可以先前所未有的速率传输安全秘钥。QKD发射器（如图）将一个光子和电子集成电路与一个外部晶闸管激光器结合上去。资料来源：Sax，日内瓦学院
与目前借助估算复杂性来保证安全的通讯合同不同，QKD的安全性是构建在数学学原理之上的。
"研究小组成员、瑞士日内瓦学院的Sax说："QKD技术的一个关键目标是能否简单地将其整合到现实世界的通讯网路中。实现这一目标的一个重要和必要的步骤是使用集成光子学量子通讯速度，它容许使用制造硅计算机芯片的同样的半导体技术来制造光学系统。"
所示的基于氢氧化铝的QKD接收器由一个光子集成电路和两个外部单光子侦测器组成。
在出版集团的《光子学研究》杂志上，由日内瓦学院的Hugo领导的研究人员描述了她们新的QKD系统，其中不仅激光器和侦测器之外所有的部件都集成在芯片上。这带来了许多优势，如紧凑性、低成本和适于大规模生产。
"虽然QKD可以为建行、卫生和国防等敏感应用提供安全保障，但它还不是一项广泛的技术量子通讯速度，"萨克斯说。"这项工作证明了技术的成熟性，并有助于解决围绕通过光学集成电路实现它的技术问题，这将容许在网路和其他应用中进行整合。"
构建一个更快的基于芯片的系统
在先前的工作中，研究人员开发了一个三态时空的QKD合同，用基于标准光纤的组件进行，以创纪录的高速率实现QKD传输。
"我们在这项新工作中的目标是使用集成光子学实现同样的合同，"Sax说。"集成光子系统的紧凑性、稳健性和易操作性--在施行时须要验证的部件或在网路中须要排除的故障较少--增强了QKD作为安全通讯技术的地位。"
QKD系统使用一个发射器来发送编码的光子，一个接收器来测量它们。在这项新工作中，日内瓦学院的研究人员与美国柏林的硅光子学公司GmbH和日内瓦的量子网路安全公司ID合作，开发了一种硅光子学发射器，它将光子集成电路与外部晶闸管激光器结合上去。
QKD接收器由氢氧化铝制成，由一个光子集成电路和两个外部单光子侦测器组成。欧洲巴黎CNR光子学和纳米技术研究所的小组使用皮秒激光微加工来制造接收器。
Sax说："对于发射器，使用带有光子和电子集成电路的外部激光器使其有可能以高达2.5GHz的创纪录速率确切地形成和编码光子。对于接收器，一个低耗损和偏振光无关的光子集成电路和一组外部检查器容许对传输的光子进行无源和简单的测量。用一根标准的多模光纤联接这两个部件，能够高速生产密匙。"
低耗损、高速传输
在彻底描述了集成发射器和接收器的特点后，研究人员用它来进行秘密秘钥交换，使用不同的模拟光纤距离，并使用150公里长的多模光纤和单光子雪崩光电三极管，那些都十分适宜于实际的施行。她们还使用单光子超导纳面条侦测器进行了实验，这促使量子比特错误率低至0.8%。该接收器除了具有偏振光独立的特性，这在使用集成光子技术时很复杂，并且还呈现出极低的耗损，约为3dB。
SAX说："在秘密秘钥率的形成和量子比特错误率方面，这种新的实验形成的结果与先前使用基于光纤的组件进行的实验相像。但是，QKD系统比先前的实验设置要简单和实用得多，因而显示了用集成电路使用这些合同的可行性。"
研究人员如今正在努力将系统部件安置在一个简单的机架壳体中，这将使QKD在网路系统中得以施行。
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