用于量子通信的超导硅光子芯片

采用超导硅片作为不可信的中继服务器，实现安全的量子通信。利用波导集成超导单光子探测器(中间有发夹形状的红色导线)特有的低死区时间特性，实现了最佳时bin编码贝尔态测量(四个光子之间呈蓝色和灰色波状曲线，用红球表示)。这反过来又提高了量子通信的安全密钥率。资料来源:南京大学

集成量子光子学(IQP)是实现可扩展的、实用的量子信息处理的一个很有前途的平台。到目前为止，IQP的大多数演示都集中在提高基于体积和光纤元件的传统平台实验的稳定性、质量和复杂性上。一个更苛刻的问题是:“在IQP中是否存在传统技术无法实现的实验?”

这个问题得到了由南京大学的马晓松、张拉宝和中山大学的蔡新伦共同领导的团队的肯定回答。据《Advanced Photonics》报道，该团队使用基于硅光子学的芯片和超导纳米线单光子探测器(SNSPD)实现了量子通信。该芯片的优异性能使他们能够实现最佳时bin Bell态测量，并显著提高量子通信中的密钥率。

单光子探测器是量子密钥分配(QKD)的关键元件，是实现实用和可扩展量子网络的光子芯片集成的理想器件。通过利用光波导集成SNSPD独特的高速特性，单光子探测的死区时间比传统的正入射SNSPD减少了一个数量级以上。这使得该团队能够解决量子光学中一个长期存在的挑战:时间bin编码量子位元的最佳贝尔态测量。

(a)实验装置示意图。MDI-QKD的服务器使用超导硅光子芯片进行最佳贝尔态测量，该芯片允许Alice和Bob在不受探测器侧通道攻击的情况下交换安全密钥。(b)当Alice和Bob发送相同的状态(蓝点)或不同的状态(红点)时，重合中的破坏性和建设性干涉计数。(c)不同损失下的安全关键利率。资料来源:郑等，doi: 10.1117/1.AP.3.5.055002。

这一进展不仅对量子光学的基础研究具有重要意义，而且对量子通信的应用也具有重要意义。该团队利用非均匀集成的超导硅光子平台的独特优势，实现了测量设备无关的量子密钥分配服务器(MDI-QKD)。这有效地消除了所有可能的检测器侧通道攻击，从而大大提高了量子密码的安全性。结合时间复用技术，该方法获得了一个数量级的MDI-QKD密钥速率的增加。

通过利用这种异构集成系统的优势，该团队在125mhz时钟速率下获得了高安全密钥率，这可以与目前最先进的MDI-QKD在GHz时钟速率下的实验结果相媲美。“与GHz时钟速率MDI-QKD实验相比，我们的系统不需要复杂的注入锁定技术，这大大降低了发射机的复杂性，”马博士团队的博士生郑晓东说，他是《先进光子学》论文的第一作者。

“这项工作表明，集成量子光子芯片不仅提供了一条小型化的道路，而且与传统平台相比，还显著提高了系统性能。结合集成的QKD发射器，一个完全基于芯片的、可扩展的、高关键速率的城域量子网络应该在不久的将来实现。”马说。

硅光子应用比较广泛，现将有关应用分享如下：

100 G/400 G数据通信 - 数据中心和校园应用

电信 - 都市和远距离应用

路由器、计算机和HPC内部的短距离光学互连与开关

功能性无源光学元件，包括AWG、光学滤波器、耦合器和分路器

基于光纤传输和回传线路的无线电波

收发器产品，包括嵌入式光学模块、发射器/接收器和有源光缆 (AOC)

使用有源元件（包括VOA和用于调制格式的相位、幅值和频率调制器等）进行光信号处理

军用/航空航天/科学传感器、控制和互连应用

用于通信和测试的光交换结构

计量学和传感器

诸如DNA、葡萄糖、分子和细胞分析传感器等应用

将光学与电子学相结合的光学引擎

诸如3DIC/集成光电芯片等新兴产品

用户 - 方便台式PC、外设、家庭媒体服务器和网络HDTV的易用型紧凑布线

专业视频、数字标牌和视频录制------------资料来源MACOM SiPh

硅光子技术是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术，用激光束代替电子信号传输数据，英特尔实验室通过混合硅激光器技术的集成激光器，首次实现了基于硅光子的数据连接。

原理：

硅光子技术利用标准硅实现计算机和其它电子设备之间的光信息发送和接收。

与晶体管主要依赖于普通硅材料不同，硅光子技术采用的基础材料是玻璃。由于光对于玻璃来说是透明的，不会发生干扰现象，因此理论上可以通过在玻璃中集成光波导通路来传输信号，很适合于计算机内部和多核之间的大规模通信。硅光子技术最大的优势在于拥有相当高的传输速率，可使处理器内核之间的数据传输速度比目前快100倍甚至更高。

研发过程

2006年，英特尔和加州大学圣芭芭拉分校成功研发出世界上首款采用标准硅工艺制造的电子混合硅激光器。

2008年，英特尔推出"雪崩硅激光探测器"，它一举将硅光子技术的增益带宽积提升到340GHz。

---