量子密钥分发 (QKD) 通过基于量子力学生成加密密钥，为长距离通信提供长期安全性。量子技术确保发送者和接收者之间的安全密钥交换。
为了实现 QKD 的产业化和与现有网络的融合，QKD 的发送和接收组件的光子和电子集成是必要的。具体来说，需要一种实用的、与 CMOS 兼容的 QKD 设置，以低成本大量制造 QKD 系统。
由 Hugo Zbinden 教授领导的日内瓦大学研究团队开发了一种基于硅光子学的 QKD 系统，可以以 2.5 GHz 的速度传输安全密钥。高速QKD系统中除激光器和探测器外的所有组件都集成在芯片上。该系统结构紧凑，成本低，易于量产。
在之前的工作中，研究人员通过开发三态时间仓 QKD 协议，实现了创纪录的高速 QKD 传输。他们使用基于光纤的标准组件来实施该协议。
在最近的工作中，研究人员试图使用集成光子学实施相同的协议。根据研究人员 Rebecka Sax 的说法，集成系统的易操作性是可取的，因为它使用的组件更少，而这些组件必须在网络实施或故障排除期间进行验证。她说，这种品质提高了 QKD 作为安全通信技术的地位。
研究人员与硅光子学公司 Sicoya GmbH 和量子网络安全公司 ID Quantique 合作开发了一种将 PIC 与外部二极管激光器结合在一起的发射器。发送器允许高速调制和准确的状态准备。
与偏振无关的低损耗接收器芯片由二氧化硅制成，包括一个 PIC 和两个外部单光子检测器。QKD 接收器由 CNR 光子学和纳米技术研究所的 Roberto Osellame 小组使用飞秒激光微加工技术制造。
“对于发射器，使用带有光子和电子集成电路的外部激光器可以以高达 2.5 GHz 的创纪录速度准确地产生和编码光子，”Sax 说。“对于接收器，低损耗和偏振无关的光子集成电路和一组外部检测器允许对传输的光子进行被动和简单的检测。用标准单模光纤连接这两个组件可以高速生成密钥。”
研究人员对发射器和接收器进行了表征，然后通过使用不同的模拟光纤距离执行密钥交换来演示集成 QKD 系统。在距离标准单模光纤 151.5 公里处，使用单光子雪崩光电二极管，该团队获得了 1.3 Kb/s 的密钥速率。
研究人员还在 202.0 公里的距离上使用单光子超导纳米线探测器展示了极低的量子误码率。除了提供偏振独立性——使用集成光子学实现的挑战——接收器还呈现出非常低的损耗，约为 3 dB。
据研究人员称，基于芯片的 QKD 系统可以实现原始误码率、量子误码率和密钥率，相当于基于分立元件的复杂的最先进设置。
“就秘密密钥率生产和量子误码率而言，这些新实验产生的结果与之前使用基于光纤的组件进行的实验相似，”Sax 说。“然而，QKD 系统比以前的实验装置更简单、更实用，从而显示了将该协议与集成电路一起使用的可行性。”
新的 QKD 系统是集成 QKD 最先进技术的潜在进步，可以为 QKD 在日常应用中的实施奠定基础。Sax 表示，QKD 技术的一个关键目标是能够将其集成到“真实世界”的通信网络中。
Sax 表示，虽然 QKD 可以为银行、健康和国防等敏感应用提供安全保障，但该技术尚未普及。最近的工作有助于解决实施 QKD 的技术问题。她说，通过光学集成电路实现将允许集成到网络以及其他应用程序中。
研究人员正在努力将系统部件放置在一个简单的机架外壳中，以便在网络系统中实施 QKD。
该研究发表在Photonics Research上。
