案例分享|ppln在頻率片編碼的糾纏量子密鑰分發(fā)中的應(yīng)用

簡介：我們以前分享過《基于time-bin量子比特的高速率多路糾纏源——PPLN晶體應(yīng)用》，探討了PPLN在時(shí)間片QKD中的應(yīng)用。時(shí)間-能量糾纏雖是PPLN基礎(chǔ)的產(chǎn)生形式，但也可以通過“加工"獲得各種糾纏自由度。

近期德國漢諾威萊布尼茨大學(xué)的Michael Kues及其研究團(tuán)隊(duì)在國際期刊《Light: Science & Applications》發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，題為“Frequency-bin-encoded entanglement-based quantum key distribution in a reconfigurable frequency-multiplexed network"。實(shí)現(xiàn)了基于頻率片編碼的BBM92協(xié)議量子密鑰分發(fā)（QKD），并展示了其可重構(gòu)分配的特性。其中由昊量光電代理的英國Covesion PPLN波導(dǎo)作為核心SPDC元件實(shí)現(xiàn)了糾纏光子對的生成，并在zui大73km的光纖鏈路中實(shí)現(xiàn)了高安全性的基于糾纏的量子密鑰分發(fā)（EBQKD）。

研究背景與目的

隨著量子技術(shù)的發(fā)展，量子互聯(lián)網(wǎng)的到來將開啟通信的新時(shí)代。而該技術(shù)的核心是基于分布式糾纏的量子信息處理（QIP)，例如EBQKD協(xié)議更好抵御相干攻擊以及對信道損耗有更大容忍度。但距離受限、面對高ji攻擊時(shí)安全性下降，硬件系統(tǒng)復(fù)雜以及成本開銷的增加都阻礙了EBQKD的可擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)。并且日益增長的網(wǎng)絡(luò)需求以及需要容納多用戶操作也為傳統(tǒng)QKD帶來挑戰(zhàn)。

光子的頻率自由度有潛力應(yīng)對EBQKD可擴(kuò)展性帶來的挑戰(zhàn)。頻率固有的多模特性允許不同頻率信號可以并行傳輸，這可以很好提高了數(shù)據(jù)吞吐量。更重要的是，與偏振和時(shí)間編碼相比，頻率編碼對溫度變化、機(jī)械振動(dòng)等環(huán)境因素引起的退相干更具抗性，有助于開發(fā)長距離QKD網(wǎng)絡(luò)。

在這篇文章中，研究人員展示了基于頻率片編碼的糾纏BBM92 QKD協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，并展示了在長光纖鏈路上靈活分配糾纏光子對。同時(shí)一種新穎的基于頻率片基底分析模塊問世，其應(yīng)用顯著減少了系統(tǒng)復(fù)雜性和硬件開銷，從而解決了大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)中的可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)。

BBM92協(xié)議和傳統(tǒng)BB84協(xié)議zui大的不同點(diǎn)之一在于Alice和Bob分別測量一對糾纏光子，利用量子糾纏的特性來保證密鑰的安全性，而BB84協(xié)議則是處理同一個(gè)光子的量子態(tài)，更多利用的是量子不可克隆定理以及非正交態(tài)不可區(qū)分特性。

實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 用于實(shí)現(xiàn)BBM92 QKD協(xié)議的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

糾纏光子對源是英國Covesion 公司所提供的40mm長MgO:PPLN波導(dǎo)組成（WGCO-1550-40，等多種封裝模式可選）。泵浦源是重頻為50MHz、脈寬為10ps的鎖模激光器，泵浦輸入功率僅180μW。泵浦光束通過一個(gè)4f配置的光學(xué)裝置進(jìn)行光譜濾波，使其半高寬為200GHz，對應(yīng)PPLN的相位匹配波長774.82nm（386.92THz）。通過0型準(zhǔn)相位匹配（QPM）的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）過程在C波段內(nèi)產(chǎn)生了寬帶雙光子光譜。為了使得在PPLN的SPDC簡并波長1549.6 nm（193.46 THz）處實(shí)現(xiàn)光子對生成的zui大效率，通過Covesion OC3溫控將波導(dǎo)溫度維持在QPM對應(yīng)的43.3℃，實(shí)現(xiàn)高達(dá)±0.01℃的穩(wěn)定性。

PPLN因?yàn)椴牧系纳⑻匦?，可以產(chǎn)生較寬的SPDC輸出光譜帶寬。該寬帶寬可以很好適配波分復(fù)用（WDM）、量子計(jì)算、或者時(shí)間-能量糾纏等應(yīng)用。

圖2 Covesion WGCO系列波導(dǎo)模塊，提供光纖耦合輸入輸出

在該糾纏源中，SPDC產(chǎn)生的信號光子和閑頻光子是非簡并的，通過PWS (programmable wavelength switch; 可編程波長分配器) 分離并給到Alice（信號光 Id）和Bob（閑頻光 Si），定義了各自的光譜通道CH1~CH3，通道間隔300GHz。每個(gè)通道由兩個(gè)頻率片組成，分別標(biāo)記為|0?和|1?。頻率片寬度為20GHz，相距100GHz。為了展示可擴(kuò)展性，本文將三個(gè)通道復(fù)用到對應(yīng)用戶的單模光纖中，而這正是憑借PPLN波導(dǎo)所產(chǎn)生的寬SPDC光譜才實(shí)現(xiàn)的多路復(fù)用。

圖3混頻（FM）前后的BBM92協(xié)議光譜配置。

而實(shí)現(xiàn)BBM92 QKD的關(guān)鍵即下圖中的頻率片基底分析模塊。正如在BB84協(xié)議中存在直線基（Z基）和對角線基（X基）用于編碼和測量量子比特。在這篇文章中，光子對的頻率同樣被編碼到不同的頻率分箱中，簡單來說首先由PF（可編程濾波器）進(jìn)行預(yù)濾波，產(chǎn)生量子態(tài)|0?和|1?，隨后由FM（混頻單元，其中包含電光調(diào)制器）對單個(gè)量子態(tài)對應(yīng)的頻率模式進(jìn)行相位調(diào)制，在頻域上產(chǎn)生邊帶，并在特定頻率片位置上令|0?和|1?的邊帶發(fā)生疊加，產(chǎn)生|+?或|-?（疊加時(shí)相位不同）。

圖4 頻率片基底分析模塊工作示意圖

這些已經(jīng)被分配到不同頻率片的量子態(tài)隨后由FTM（Frequency-to-Time）進(jìn)行轉(zhuǎn)化，由不同光子的到達(dá)時(shí)間，來分辨不同頻率的光子。在這種創(chuàng)新的方法下，每個(gè)用戶僅僅用一臺SNSPD就可以讀取所有的頻率通道的結(jié)果，大大節(jié)約了在量子通信中單光子探測器的成本，同時(shí)也降低了暗計(jì)數(shù)貢獻(xiàn)，減少了對探測器側(cè)信道攻擊的脆弱性以及探測器不平衡，從而提供了更高的安全性。從下圖圖2中也能清晰看到，在時(shí)間軸上可以將3個(gè)通道的4種基態(tài)同時(shí)進(jìn)行分辨，證明了其多用戶分發(fā)的潛力。

圖5 頻率通道CH1、CH2和CH3的頻率-時(shí)間映射光譜曲線。探測器(a) D1（Bob所有）和(b) D2（Alice所有）檢測到的頻時(shí)映射光譜曲線。標(biāo)注的綠色、黃色、藍(lán)色和紅色光譜區(qū)域分別對應(yīng)于態(tài)|1?、|0?、|??和|+?的投影。

73km長距離測試

本實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)用73km單模光纖鏈路完成了基于頻率片編碼BBM92 QKD的端到端的驗(yàn)證。其中CH1的QBER（量子比特錯(cuò)誤率）4.45%，平均可見度為91%，違反了貝爾不等式，有限密鑰率0.011bit/s，在長距離光纖鏈路續(xù)系統(tǒng)仍然具有高保真度和低錯(cuò)誤率。這些結(jié)果為多用戶并行的前景提供了有力的證明，在實(shí)際城域網(wǎng)中具有很大的應(yīng)用潛力。

此外英國Covesion的波長轉(zhuǎn)換技術(shù)為設(shè)計(jì)和制造獨(dú)特的解決方案提供了廣泛的基礎(chǔ)，提供特定應(yīng)用的技術(shù)咨詢以及定制服務(wù)，例如不同周期的設(shè)計(jì)以達(dá)到特殊的波長轉(zhuǎn)換要求或者溫度匹配條件。并且提供多樣的塊體晶體以及波導(dǎo)的封裝形式，滿足各種需求。

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