集成量子光子學(IQP)是實現可擴展和實用的量子信息處理的壹個有前途的平臺。到目前為止，大多數IQP演示都專註於提高基於體積和光纖組件的傳統平臺實驗的穩定性、質量和復雜性。壹個更苛刻的問題是:“IQP有沒有傳統技術無法實現的實驗？”
這個問題得到了南京大學馬曉松、中山大學張建寶和蔡新倫領導的團隊的肯定回答。據Advanced Photonics報道，該團隊使用基於矽光子學的芯片和超導納米線單光子探測器(SNSPD)來實現量子通信。該芯片的優異性能使他們能夠測量最佳bin Bell態，並顯著提高量子通信中的密鑰速率。
單光子探測器是量子密鑰分發(QKD)的關鍵部件，是實現實用化、可擴展量子網絡光子芯片集成的理想器件。利用光波導集成SNSPD獨特的高速特性，單光子探測的死時間比傳統的正入射SNSPD減少了壹個數量級以上。這使得該團隊能夠解決量子光學中的壹個長期挑戰:時間倉編碼量子位的最佳貝爾態測量。
(壹)實驗裝置示意圖。MDI-QKD的服務器使用超導矽光子芯片測量最佳貝爾態，使得愛麗絲和鮑勃可以交換安全密鑰而不被探測器側信道攻擊。(b)當Alice和Bob發送相同的狀態(藍點)或不同的狀態(紅點)時，相消幹涉和相長幹涉計入重合。(c)不同損失下的安全關鍵利率。資料來源:鄭等人，DOI:10.1117/1 . AP . 3 . 5 . 055002。
這壹進展不僅對量子光學的基礎研究，而且對量子通信的應用都具有重要意義。利用非均勻集成超導矽光子平臺的獨特優勢，團隊實現了獨立於測量設備的量子密鑰分發服務器(MDI-QKD)。這有效地消除了所有可能的檢測器側信道攻擊，從而大大提高了量子密碼的安全性。結合時分復用技術，該方法獲得了MDI-QKD密鑰速率的數量級的提高。
通過利用這種異構集成系統，團隊在125mhz的時鐘速率下獲得了高安全密鑰速率，與最先進的MDI-QKD在GHz時鐘速率下的實驗結果相當。“與GHz時鐘速率的MDI-QKD實驗相比，我們的系統不需要復雜的註入鎖定技術，大大降低了發射機的復雜度，”馬博士團隊的博士生、論文《高級光子學》第壹作者說。
“這項工作表明，集成的量子光子芯片不僅提供了壹條小型化的道路，而且與傳統平臺相比，顯著提高了系統性能。結合集成的QKD發射機，在不久的將來應該可以實現完全基於芯片的、可擴展的和高臨界速率的城域量子網絡。”馬說。