量子密钥分发集成光学芯片技术进展

钱懿 胡晓 王磊 肖希

(1.中国信息通信科技集团光纤通信技术和网络国家重点实验室，武汉 430000；2.国家信息光电子创新中心，武汉 430000)

0 引言

量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)从1984年诞生至今，已经发展了37年。其依赖的光电子产业链上游，正经历着光子集成回路(Photonic Integrated Circuit，PIC)技术的迅猛发展，从而对量子密钥分发设备的低成本商用起到了一定的促进作用。量子密钥分发产品的发展，是全功能单片集成，亦或是每种功能芯片分而治之各自做小做低成本，哪条路径最务实值得业界思考。

1 量子密钥分发的背景

量子密钥分发的概念是由科学家Charles H. Bennett和Gilles Brassard在1984年提出[1]，即在量子力学所描述的二维希尔伯特空间中，构造出两组不正交的基(Basis)，在每个基内定义bit 0和bit 1，进行随机数的制备、传输、探测(见图1)。该方法后被业界称之为BB84协议，其信息论安全性也得到了证明[3]。通常BB84协议的QKD系统，发端需要制备布洛赫(Bloch)球面上所对应的至少两个基所包含的量子态，例如Z基的量子态和X基的量子态(见图2)，接收端采用基矢选择测量光路，配合单光子探测器，获得最终的探测结果，再由后处理过程提取出安全的等同密钥。由于BB84协议的探测结果是有限个数的事件组合，也被称为离散变量量子密钥分发(Discrete-Variable Quantum Key Distribution，DV-QKD)。之后，别的种类的量子密钥分发协议，也相继被提出，例如基于光场的正则分量的连续变量量子密钥分发(Continuous-Variable Quantum Key Distribution，CV-QKD)，基于相邻光脉冲相位关系的分布式相位参考量子密钥分发(Distributed-Phase-Reference Quantum Key Distribution， DPR-QKD)，具体可见文献[3]。

图1 BB84协议的简要流程[2]

图2 BB84协议QKD所制备……