PR Highlight (Vol. 11, Iss. 4): 连续变量密钥分发光源首次集成

连续变量密钥分发光源首次集成

基于高斯调制相干态协议（GMCS协议,也称GG02协议）的连续变量量子密钥分发系统(CV-QKD)具备理论安全性证明完备、高码率及与现有光通信架构兼容等诸多特点，是构建未来高性能量子密钥分发网络极具前景的路线之一。

新兴的量子光子学技术为实现大规模灵活部署的高稳定、可便携、可拓展、小型化和低成本的芯片化连续变量量子密钥分发系统及量子通信网络终端提供可能。尽管基于片外光源和随路本振光同传（TLO）方案的CV-QKD系统已经在集成芯片平台得到初步验证，但自GG02协议提出以来，能适用于CV-QKD系统的高性能片上光源的集成一直是挑战性问题。

基于本地本振（LLO）方案的连续变量量子密钥分发系统可以保证量子信号在长距离传输条件下达到量子噪声极限探测，并通过更鲁棒的本振光显著消除信号的串扰，最终实现能支持长距离安全密钥分发的高性能CV-QKD系统，是克服TLO方案中因本振光串扰信号光所导致的长距离传输受限和实际安全性问题的有效途径。但LLO-CVQKD系统的集成对光源提出所需满足的更加严苛的要求：(1)精确的波长可调性，以满足两个独立激光器中心波长的对准；(2)足够的光输出功率，确保量子噪声极限探测；(3)窄线宽和低噪声，以保证非可信过噪声抑制和安全密钥的生成。因此，拥有两个线宽窄、低噪声、可调性好、同时功率充足的高效片上光源仍然具有挑战性，这对于实现高性能CV-QKD系统从而进一步推动集成化量子通信网络的部署至关重要。

为解决以上问题并实现CV-QKD系统中的量子光源集成，上海交通大学曾贵华教授课题组和上海交通大学周林杰教授课题组合作，提出一种具有高输出、窄线宽、宽波长可调性和高SMSR的特点的紧凑高性能III-V∕Si3N4外腔激光器（ECL），能从机理上克服上述难题，最终实现了一个安全传输距离超过100公里的完整LLO CV-QKD实验系统。相关研究成果发表于Photonics Research 2023年第4期。

本工作提出并实现了两个用于CV-QKD的高性能的III-V氮化硅外腔片上可调谐量子光源，它在现有用于QKD的量子集成光源中具有最高的输出功率（高达47.3 mW）、宽调谐范围（高达73 nm）、窄线宽（低至1.6 kHz）、高边模抑制比（高达75 dB）的特性，能同时满足CV-QKD芯片系统对量子光源提出的达到量子噪声极限检测、非同源激光器的中心波长对准以及非可信过噪声抑制三大方面严苛要求（图1、2所示）。

图1（a）基于片上III-V/Si3N4外腔激光器（ECL）实现的LLO-CVQKD光学系统方案图；（b）激光器蝶形管壳封装照片；（c）激光芯片显微镜照片，芯片的面积为2.4×1.27 mm2

图2（a）1545 nm波长处的L-I曲线；（b）通过驱动两个微环和移相器进行连续频率调谐的叠加输出光谱；（c）SMSR大于75 dB的单模激光谱；（d）波长调谐过程中ECL激光光谱叠加图

此外，该团队通过利用本地本振方案，解决了现有集成CV-QKD系统面临的实际安全问题和随路本振方案中本振光的光子串扰。基于该款激光器，该团队实现了在标准商业光纤上50公里下，系统的安全密钥率达到0.75 Mbps，安全传输距离可以超过100公里的首个基于集成片上光源的高性能本地本振CV-QKD系统。该结果标志着在构建全集成 CV-QKD系统方面取得了突破，并为建立可靠高效的地面量子通信网络铺平了道路。