量子密钥分发集成光学芯片技术进展

钱懿 胡晓 王磊 肖希

(1.中国信息通信科技集团光纤通信技术和网络国家重点实验室，武汉 430000；2.国家信息光电子创新中心，武汉 430000)

0 引言

量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)从1984年诞生至今，已经发展了37年。其依赖的光电子产业链上游，正经历着光子集成回路(Photonic Integrated Circuit，PIC)技术的迅猛发展，从而对量子密钥分发设备的低成本商用起到了一定的促进作用。量子密钥分发产品的发展，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考。

1 量子密钥分发的背景

量子密钥分发的概念是由科学家Charles H. Bennett和Gilles Brassard在1984年提出[1]，即在量子力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)，在每个基内定义bit 0和bit 1，进行随机数的制备、传输、探测(见图1)。该方法后被业界称之为BB84协议，其信息论安全性也得到了证明[3]。通常BB84协议的QKD系统，发端需要制备布洛赫(Bloch)球面上所对应的至少两个基所包含的量子态，例如Z基的量子态和X基的量子态(见图2)，接收端采用基矢选择测量光路，配合单光子探测器，获得最终的探测结果，再由后处理过程提取出安全的等同密钥。由于BB84协议的探测结果是有限个数的事件组合，也被称为离散变量量子密钥分发(Discrete-Variable Quantum Key Distribution，DV-QKD)。之后，别的种类的量子密钥分发协议，也相继被提出，例如基于光场的正则分量的连续变量量子密钥分发(Continuous-Variable Quantum Key Distribution，CV-QKD)，基于相邻光脉冲相位关系的分布式相位参考量子密钥分发(Distributed-Phase-Reference Quantum Key Distribution， DPR-QKD)，具体可见文献[3]。

图1 BB84协议的简要流程[2]

图2 BB84协议QKD所制备的量子态在Bloch球上的表示

随着QKD技术从实验室走向商用化设备的发展，世界范围内各个国家也出现了QKD实验网络的报导，其中典型的案例是我国的京沪QKD干线以及部署在该干线重要节点城市内的QKD城域网络[4]。关于QKD传输距离的制约，可通过可信中继方式解决。随着如此多节点的QKD网络的出现，以及在核心站点内部署多套QKD设备作为扩容和主备的需求，则凸显了当前商用QKD设备的体积和成本问题(见图3)。于是，QKD设备小型化、低成本化的诉求也随之出现。

图3 京沪干线QKD设备的体积和占用机柜的空间[4]

2 传统大体积分立器件的QKD典型方案

2.1 偏振态编码BB84协议QKD

在QKD系统发端需要的核心能力包括：相位随机化脉冲光源、强度调制单元、偏振调制单元；在QKD系统收端需要的核心能力包括：50:50分束器、偏振分束器、电偏振控制器、单光子探测器。文献[4]列举了高重频(625 MHz)和低重频(40 MHz)QKD系统的方案。表1对这两种方案的工作原理和优劣做了阐述，可见这两种方案下的光学元件，都要占用较大体积，成本也比较大。

表1 偏振BB84协议QKD的高重频和低重频系统实现方式对比

2.2 时间—相位编码BB84协议QKD

对于使用了诱骗态方法的时间—相位编码BB84协议QKD系统，在发端需要具备的核心能力有：相位随机化的脉冲光源、强度调制器、一个附带了相位调制能力的不等臂干涉仪(Asymmetric Mach Zehnder Interferometer，AMZI)；在收端需要具备的核心能力有：和发端匹配的AMZI、单光子探测器(门控式或者自由运转式)。其中，核心元部件AMZI以分立器件来实现的形态为单模保偏光纤加工制作(见图4)。例如，东芝公司所研发的系统就采用了这种方案，其所研制的AMZI具备了低损耗的特点，缺点是尺寸大，且需要采取额外手段来补偿AMZI的相位漂移，例如图5所示的光纤伸缩器(Fiber Stretcher，FS)。NEC公司为了解决AMZI制作的难题，采用了二氧化硅平面光波导(Planar Lightwave Circuit，PLC)技术，其所构成的时间—相位编码BB84协议QKD系统，采用了两个延时长度匹配的PLC材料AMZI(见图5)，该类方案相比光纤型AMZI改善了加工难度，但由于PLC材料是纯无源的波导技术，无法实现快速的相位调制能力，一般多用于功率分配、波分复用、延时线等场景，加上PLC-AMZI还需要良好的温控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，尚有一定的差距。

图4 东芝公司基于光纤AMZI的时间—相位编码BB84协议QKD[5]

图5 NEC公司基于二氧化硅平面光波导AMZI的时间—相位编码BB84协议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，需要在发端同源产生量子信号和本振光，并且在时间和偏振自由度上复用，使得该系统首先具备高消光比的脉冲能力，典型的则需要2只铌酸锂调制器级联产生脉冲，量子信号调制还需要借助1只铌酸锂强度调制器和1只铌酸锂相位调制器级联来实现。虽然该类系统相较于DV-QKD系统，无需低温制冷的单光子探测器而采用普通的低噪声光电探测器，降低了收端的器件门槛，但因其整体光路的复杂性和体块式铌酸锂调制器本身的成本，导致随路本振型CV-QKD系统的整体成本仍然较高。

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 基于偏振编码的BB84协议QKD集成光学芯片研究进展

偏振态的调制，可以从偏振模式的调控入手来实现，一般任意偏振态可以分解为TE模式和TM模式，并附带这两个模式的相位差。硅基芯片上的2×2 MZ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，然后通过相位调制器和二维光栅(抑或是偏振合成旋转)结构，将其中一路端口的光偏振不变输出，另一路端口的光偏振旋转90°输出，从而可以合成任意的偏振态。该架构的硅光芯片已经被多个工作组研制实现，例如加拿大多伦多大学[8]、英国布里斯托大学[9]，美国桑迪亚国家实验室[10]、美国麻省理工学院[11]。该硅基偏振调制器通过等离子色散效应的电光调制器，可以实现1 GHz以上调制频率，偏振消光比达到25 dB以上，满足高速偏振编码BB84协议QKD的应用。在我国，由国家信息光电子创新中心研制的基于离子色散效应调制结构的硅光偏振态调制器，也达到了上述几个单位所研制芯片的等同性能。

应用了1.25 GHz高速硅光偏振调制器的测量设备无关QKD系统链路实验，在文献[12]中也被报导，该工作由中国科学技术大学徐飞虎课题组完成，如图7所示，该实验系统，在发端应用了硅光偏振调制器，该调制器芯片封装后的器件长宽尺寸仅和一枚一元人民币硬币相当；在实验系统的收端，采用了分立器件(如偏振控制器、偏振分束器、功率分束器、超导单光子探测器)搭建的偏振态测量光路，在未来，收端的光路也具备芯片化的可能性。

图7 应用了硅光偏振调制器的测量设备无关QKD系统实验[12]

3.2 基于时间—相位编码方式QKD的集成光学芯片研究进展

时间—相位自由度被用于BB84协议QKD以及分布式相位参考QKD(COW、DPS)。文献[13]报导了英国布里斯托大学磷化铟(Indium Phosphide，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协议所对应的量子态。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协议的量子态，最后采用超导单光子探测器进行探测。

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—相位解调器芯片，其中解调制芯片采用被动式解码结构，去除了高损耗的电光调制器，并讨论了温度变化引发的AMZI相位漂移以及对应的补偿算法，系统的激光器、偏振控制器、超导单光子探测器则采用分立元件。

3.3 随路本振CV-QKD硅光芯片实验进展

文献[15]报导了新加坡南洋理工大学的随路本振CV-QKD硅光芯片实验，该芯片的特点是在发射端将量子信号调制在频率边带，使得信号和本振的自由度复用只需要偏振自由度复用即可，无需额外的时间自由度复用，即无需增加芯片内的延时线，简化了芯片的设计。该芯片得益于成熟的锗—硅光电探测器工艺，可以将探测器单片集成在硅基上，相较于目前报导的DV-QKD和DPR-QKD接收侧芯片仍需外置的单光子探测器，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损耗在16 dB，相较DV-QKD普遍可以承受20 dB链路损耗的能力，稍显逊色。另外需要注意的是，QKD的整体成本除了光学芯片器件，还有电学芯片，CV-QKD由于需要数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)，在电学芯片的成本上比DV-QKD略高一些。

4 采用了芯片化方案的QKD系统的未来趋势分析

基于第3章的描述可以发现，业内在DV-QKD领域最热点的研究是基于硅光芯片的偏振态调制器技术，应用于偏振BB84协议QKD的发射端或者测量设备无关QKD的发射端，这其中包含了多模干涉仪、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器件的结合，技术门槛较高，而恰好又能发挥硅光在无源器件和有源器件上丰富的器件库以及大规模集成能力，唯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—相位调制方式的DV-QKD关键集成光学芯片，以及CV-QKD的关键集成光学芯片，目前报导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，较少的单位在研制单片集成激光器的时间—相位编码BB84芯片，例如英国布里斯托大学的工作[13]。对于QKD的接收端的关键芯片，目前业内出现的研究尚少，例如文献[10]中提到的偏振态解调硅光芯片。面对DV-QKD的应用需求，业内也出现了小型化集成制冷封装的单光子探测器产品(例如武汉光迅科技的相关产品)，虽然不是大规模集成芯片式的产品，但在减小QKD设备的体积上，起到了很明显的促进作用。表2对上述几类QKD集成光学芯片和器件在未来QKD系统中的发展趋势做了总结归纳。

表2 几类QKD集成光学芯片和器件的未来发展趋势

5 结束语

量子密钥分发设备所依赖的是光电子产业链上游，可以借鉴一下光通信行业里标准化光模块的演进发展，即光模块一般是由光芯片、电芯片以及光学子组件(Optical Sub Assembly，OSA)构成。以DV-QKD为例，可以将激光器和硅光调制器收纳进入光学模组，形成DV-QKD发射模组；将硅光解调器和小型化封装的单光子探测器收纳进入光学模组，形成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，使硅光芯片研制团队、三五族芯片研制团队、光器件封装研制团队、光模组研制团队都发挥最大的能力，迅速降低QKD系统设备的成本。