集成量子光子學(IQP)是實現(xiàn)可擴展和實用的量子信息處理的有前途的平臺。到目前為止，IQP 的大多數(shù)演示都集中在提高基于體和光纖元件的傳統(tǒng)平臺的實驗穩(wěn)定性、質量和復雜性。一個更苛刻的問題是：“IQP 是否可以進行傳統(tǒng)技術無法實現(xiàn)的實驗?”

這個問題得到了南京大學馬曉松和張拉寶和中山大學蔡新倫共同領導的團隊的肯定回答。正如Advanced Photonics報道的那樣，該團隊使用基于硅光子學的芯片和超導納米線單光子探測器(SNSPD)實現(xiàn)了量子通信。該芯片的優(yōu)異性能使他們能夠實現(xiàn)最佳時間倉貝爾態(tài)測量，并顯著提高量子通信中的關鍵速率。

單光子探測器是量子密鑰分發(fā) (QKD) 的關鍵元件，非常適合光子芯片集成以實現(xiàn)實用和可擴展的量子網絡。通過利用集成光波導的 SNSPD 獨特的高速特性，與傳統(tǒng)的法向入射 SNSPD 相比，單光子檢測的死區(qū)時間減少了一個數(shù)量級以上。這反過來又使該團隊能夠解決量子光學中長期存在的挑戰(zhàn)之一：時間段編碼量子位的最佳貝爾狀態(tài)測量。

這一進步不僅從基礎的角度對量子光學領域很重要，而且從應用的角度對量子通信也很重要。該團隊利用異構集成超導硅光子平臺的獨特優(yōu)勢，實現(xiàn)了獨立于測量設備的量子密鑰分發(fā)(MDI-QKD)服務器。這有效地消除了所有可能的檢測器側信道攻擊，從而顯著增強了量子密碼學的安全性。結合時分復用技術，該方法獲得了數(shù)量級的MDI-QKD密鑰率提升。

通過利用這種異構集成系統(tǒng)的優(yōu)勢，該團隊獲得了具有 125 MHz 時鐘速率的高安全密鑰速率，可與具有 GHz 時鐘速率的最先進的 MDI-QKD 實驗結果相媲美。“與 GHz 時鐘速率 MDI-QKD 實驗相比，我們的系統(tǒng)不需要復雜的注入鎖定技術，這顯著降低了發(fā)射機的復雜性，”馬課題組的博士生、Advanced 的第一作者 Xiaodong Zheng 說。光子紙。

“這項工作表明，集成量子光子芯片不僅提供了小型化的途徑，而且與傳統(tǒng)平臺相比，還顯著提升了系統(tǒng)性能。結合集成 QKD 發(fā)射器，一個完全基于芯片的、可擴展的、高密鑰率的都市量子網絡應該在不久的將來實現(xiàn)，”馬說。