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如何应用高性能光器件提升量子密钥分发系统性能?
点击次数:814 更新时间:2023-03-17

采用量子密钥分发QKD技术应对保密通信新挑战

 

量子通信中的量子密钥分发(QKD)是一种安全通信方法,它使双方能够生成共享密钥,基于量子技术实现密钥的高可靠传输,用于信息加密和解密。基于量子力学的原理,测量量子系统的过程引入了可检测的异常,从而可以检测到窃听者。

 

随着政府、银行、医疗和其他受监管行业进行数字化转型,QKD通过加强互联网流量和其他通信渠道的经典加密,进而改善光纤网络安全通信。事实上,全世界对量子计算机的大规模研究和开发工作及其破解经典加密算法的理论能力,对受此类算法保护的敏感数据构成了真正的威胁,这些数据可以在传输时被存储并在以后解密。

 

许多全球通信市场服务商都在投资于量子通信系统的研发,早期的先驱者使用BB84或其相关变种协议通过制备和测量分发方案来处理QKD。一种方案是基于量子叠加原理[1-5],在专用量子通道中将私钥从一方安全地传送到另一方。另一种方案依赖于量子纠缠,将密钥编码为在收发方之间分裂的成对纠缠光子(E91或BBM92等协议)[6,7]

 

QKD和其他量子技术的研究正在全球范围内迅速兴起,现在正在考虑QKD新方法使用新协议,例如双场QKD(TF-QKD)和锁相环锁定的低噪声激光器,或通常需要窄线宽和低噪声激光器的连续变量QKD(CV-QKD)方案[8,9]

 

基于制备和测量QKD方案的系统是当今最常见的实现系统,尽管最近的研究仍在提出独特的系统设计,但它们均基于基本的量子信息技术。

 

在每个模式中,Alice将衰减到准单光子水平的偏振光子脉冲发送给Bob,因为窃听者Eve试图拦截它以检索有关密钥的信息。图1显示了使用衰减脉冲的QKD所需的光纤系统示意。

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图1:基于光纤通信系统的衰减脉冲QKD系统示意。

 

调制单模激光器以产生脉冲序列,密钥的量子比特(量子信息的基本单位)被编码在脉冲的相位和偏振态中。在离开Alice端的发射机之前,调制脉冲序列被强烈衰减以使其达到准单光子水平,因此如果Eve试图窃听一些脉冲,Bob将无法恢复它们。在接收端(Bob),QKD解调器处理发送到两个单光子检测器的接收信号。

 


高性能器件提升QKD系统性能

 

QKD调制和解调通常需要非对称Mach-Zehnder干涉仪、相位调制器、偏振分束器和合束器以及量子随机数发生器。此外,有时需要色散补偿器和光谱滤波器等光学元件来提高系统性能。应该注意的是,实际的QKD协议和相关的光学子系统比这个简单的描述(图1)更复杂,例如还需要窄/宽带滤波器和低噪声激光器。此外,减少损耗对于量子信道和Bob端的接收机至关重要,因为根据QKD协议,任何丢失的光子都必须被视为由Eve窃取测量,从而降低安全可用的密钥传输速率。

 

(1)色散补偿模块

在量子水平上,光纤色散拓宽了光子到达检测器的时间统计分布。如果色散太大,光子可能会错过检测时间窗口,这种异常会破坏类似于光信号衰减的密钥传输。因此,当增加量子通道的光纤跨度时,光学损耗和色散的不利影响会增加。超过50公里的距离通常需要色散补偿器。色散补偿器一般插在Alice侧发射机中,衰减器之前。

 

(2)窄带滤波器

除了衰减和色散,来自相邻常规信道的光信号的非线性散射,例如,当量子信道与更高光功率的密集波分复用(DWDM)信号位于同一根光纤中时产生拉曼散射,和其他噪声源,如激光的自发辐射,可能会导致单光子探测器的错误检测。由于典型的DWDM解复用器的隔离通常是不够的,因此可能需要在单光子检测器之前或光学设置中的其他地方使用高抑制、窄带、低损耗滤波器。

 


TeraXion公司QKD系统光器件方案

 

多年来,TeraXion开发了多种高性能的产品和技术,可以应对QKD系统制造商当前和未来的挑战:

 

(1)低损耗色散补偿器

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TeraXion的ClearSpectrum™ DCML通过全C波段覆盖解决色散问题,以改善长距离的QKD信号性能。对于单个色散补偿模块,支持长达200公里的色散补偿距离,插入损耗低于3dB,这些补偿器还可以防止通道内和通道间的非线性损伤,并且延迟可以忽略不计。

 

(2)窄带通滤波器

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TFN和静态滤波器采用先进的光学滤波解决方案,减少了QKD系统中非线性散射和其他光学噪声源的不利影响。使用衰减脉冲的QKD通常需要具有高光谱隔离度和约2-20GHz带宽的通带滤波器,带宽由脉冲重复率决定。根据所需的带宽和其他应用挑战,可以使用频率可调或绝热封装来提高滤波器性能并稳定其中心波长。这一点在衰减相干态的频率边带中编码量子信息时,尤为重要。

 

(3)超窄带通滤波器

TeraXion的UNF滤波器具有50MHz至500MHz的带宽,非常适合使用纠缠光子源的QKD系统。例如,它们可用于在自发参量下转换(SPDC)之后优化带宽。

 

(4)低噪声激光器

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TeraXion的PureSpectrum™激光器提供精确的反馈监控、超低噪声性能(线宽低至20kHz)和波长稳定性。

 

TeraXion上述成熟的光器件将有助于降低演示成本并将系统推进到商业化阶段,TeraXion希望与系统制造商合作,共同发展这些技术。TeraXion的量子通信器件系列将支持量子技术从研发到全面商业化的进步。


作者:Guillaume Brochu, Carl Paquet

 

 

参考文献

1.YUAN, Z. L., DIXON, A. R., DYNES, J. F., et al. Gigahertz quantum key distribution with InGaAs avalanche photodiodes. Applied Physics Letters, 2008, vol. 92, no 20, p. 201104. https://doi.org/10.1063/1.2931070

 

2.ERAERDS P., WALENTA N., LEGRÉ M., et al. Quantum key distribution and 1 Gbps data encryption over a single fibre. New Journal of Physics, 2010, vol. 12, no 6, p. 063027. https://doi.org/10.1088/1367-2630/12/6/063027

 

3.BOARON A., BOSO G., RUSCA D., et al. Secure quantum key distribution over 421 km of optical fiber. Physical review letters, 2018, vol. 121, no 19, p. 190502. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.190502

 

4.MLEJNEK, Michal, KALITEEVSKIY, Nikolay A., et NOLAN, Daniel A. Modeling high quantum bit rate QKD systems over optical fiber. In : Quantum Technologies 2018. SPIE, 2018. p. 122-131. https://doi.org/10.1117/12.2306875

 

5.CHEN, Yu-Ao, ZHANG, Qiang, CHEN, Teng-Yun, et al. An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres. Nature, 2021, vol. 589, no 7841, p. 214-219. https://doi.org/10.1038/s41586-020-03093-8

 

6.TITTEL W., Brendel J., Zbinden H., and Gisin N. Quantum Cryptography Using Entangled Photons in Energy-Time Bell States. Physical Review Letters, 2000, vol. 84, pp. 4737. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.4737

 

7.KAISER Florian, ISSAUTIER, Amandine, NGAH, Lutfi A., et al. A versatile source of polarization entangled photons for quantum network applications. Laser Physics Letters, 2013, vol. 10, no 4, p. 045202.CV-QKD.  https://doi.org/10.1088/1612-2011/10/4/045202

 

8.PITTALUGA, Mirko, MINDER, Mariella, LUCAMARINI, Marco, et al.600-km repeater-like quantum communications with dual-band stabilization. Nature Photonics, 2021, vol. 15, no 7, p. 530-535.  https://doi.org/10.1038/s41566-021-00811-0

 

9.HUANG, Duan, HUANG, Peng, LIN, Dakai, et al. High-speed continuous-variable quantum key distribution without sending a local oscillator. Optics letters, 2015, vol. 40, no 16, p. 3695-3698. https://doi.org/10.1364/OL.40.003695