[发明专利]一种基于芯片的测量设备无关量子密钥分发系统及方法

说明书

本发明公开了一种测量设备无关量子密钥分发系统及方法，通过设计并实现一种硅基和超导材料杂化探测端芯片，将该芯片与激光器、强度调制器，相位调制器，衰减器，偏振控制器等传统光学器件进行结合，可以构成完整的测量设备无关量子密钥分发系统，该系统得益于超快的探测器响应，可以同时对两个贝尔态进行测量，并利用时间复用技术，使得该系统可以在较低时钟频率下得到与GHz时钟频率相当的密钥率，本发明将该探测端芯片与芯片化的发射端结合，可以实现低成本、大规模的城域量子通信网络。

技术领域

本发明属于量子信息技术领域，具体涉及一种基于波导集成超导纳米线单光子探测器的测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)系统及方法。

背景技术

量子密钥分发的安全性是由物理规律的正确性来保证的，理论上，量子密钥分发是一种绝对安全的通信方式。由于实际系统的各种漏洞，存在针对量子密钥分发(QKD)系统源端及探测端的攻击。测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)于2012年由Lo小组首先提出，具有两个显著的优点：一：它从量子密钥分发中移除了所有探测器端的漏洞；二：在加入诱骗态后，在实际系统中的性能获得了很大的提升。Zhou等人提出了一种四强度方法(一个信号态强度和三个诱骗态强度)，利用Z基进行密钥生成，仅用X基进行诱骗态分析，在较小的数据尺度下具有很高的效率。对于有限码长的安全性分析，证实了在现有技术与信号传输的合理时间范围内长距离测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)实现的可行性。

实验上，Liu等人报道了测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)的首次演示，在50km光纤上采用了编码态和诱骗态的随机调制。在2016年先后报道了两个测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)的里程碑式实验。Yin等人通过优化参数并使用超低损耗光纤将测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)的通信距离扩展到破纪录的404km。另外此次实验中在100km距离处达到的密钥率约为3kbps，足以对语音消息进行一次一密的编码。之后，Comandar等人通过利用种子激光技术将测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)的系统时钟频率提高到了1GHz。2020年，Wei等人实现了1.25GHz基于硅芯片发射端的偏振编码测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)系统。2021年，Woodward等人通过激光注入锁定技术，在1GHz的时钟频率下得到了可观的密钥率。

光芯片和测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)的结合可以实现不可信中继的新型中心网络。在这种结构中，每一个用户只需要一块紧凑小巧的发射端芯片，而中继拥有庞大和昂贵的测量系统可以被所有用户共享。芯片化的测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)网络是未来低成本、可扩展的基于不可信中继QKD网络的一个解决方案。测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)系统的发射端已经有很好的实现，然而探测端芯片基本还是空白。并且实现GHz的时钟频率技术难度大，成本高，如何以较低的时钟频率得到较高的密钥率，实现低成本的密钥分发系统，是摆在QKD网络建设面前的一个难题。

发明内容

本发明的目：为弥补针对测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)探测端芯片的技术空缺，以及为解决由时钟频率低导致的密钥率低的问题，本发明提出了一种基于波导集成超导纳米线单光子探测器的测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)系统及方法，设计并实现了硅基和超导材料杂化探测端芯片，该探测端芯片结合激光器、强度调制器、相位调制器、衰减器和偏振控制器等传统光学器件，可以构成完整的测量设备无关量子密钥分发系统；将本发明的探测端芯片与芯片化的发射端结合，可以实现低成本、大规模的城域量子通信网络。

技术方案：一种用于测量设备无关量子密钥分发系统探测端的探测端芯片，用于接收来自测量设备无关量子密钥分发系统发射端的脉冲，并进行贝尔态测量和结果处理；包括用于接收来自发射端的脉冲的光栅耦合器、50:50分束器和用于探测光子的波导集成超导纳米线单光子探测器；所述光栅耦合器通过光学波导与50:50分束器连接，所述波导集成超导纳米线单光子探测器通过光学波导与光学波导的输出端连接。